TN8000在机组碳刷温度异常诊断分析中的应用

董 德，闫 攀

(中国长江电力股份有限公司三峡电厂运行部，湖北 宜昌 443133)

TN8000机组振动摆度监测分析系统由振动摆度传感器、智能数据采集箱和分析软件组成，该系统可以通过以太网络与水电厂机组状态监测和故障诊断系统实现集成。振动摆度传感器过来的信号通过多芯屏蔽电缆连接到TN8000系统的振动摆度输入接线端，再通过专用的9芯电缆传送到振动和摆度采集模块，由采集模块进行预处理和采集，并转换成数字信号，再通过总线传送到系统板，然后进行大量的在线信号处理和加工，得到反映机组运行状态的各种特征参数和部分原始数据。智能数据采集箱一方面根据状态参数进行故障预警和报警，另一方面将数据通过网络平台传给状态数据服务器，供网络客户对机组状态做监测分析和诊断[1-2]。

1 TN8000数据采集与分析

TN8000数据采集箱(见图1)对机组的振动、摆度以及相关的过程量参数进行实时、并行、整周期采样，并进行相应的处理、计算和特征提取，在数据采集站液晶显示器以及网络所联的有关工作终端上以结构示意图、棒图、数据表格、导轴承状态、机架振动、实时趋势等形式实时动态显示所监测的数据和状态。

TN8000水轮机组振动摆度监测分析系统测量模块主要有机架振动模块、摆度模块和键相模块，其各监测传感器测点布置如图2所示。机架振动模块和摆度模块包括信号预处理单元、低通跟踪抗混频滤波器及单片机系统，数据采集方式采用同起点整周期采样，在任意转速下系统的采样频率均为工频的256倍频，最高分析频率可达128倍转频。稳定运行工况下连续采集16个周期，频率分辨率为1/16倍转频，可保证低频涡带频率的准确采集[3]。在过渡过程时可实现长时间的数据连续采集，实现海量数据存储，最长时间可达10 min，可确保过渡性过程和异常运行状态下机组振动和摆度信号的准确采集和分析。

图1 TN8000数据采集箱

数据表格分快变量表格和慢变量表格。快变量表格显示各振动、摆度、压力脉动等快变信号的通道名称、单位、峰峰值、一倍频幅值、一倍频相位、平均工作位置、通道状态、一级报警值和二级报警值(见图3)。

图3 机组快变量监测数据及报警界面

图3中峰峰值为平均峰峰值；一倍频幅值、一倍频相位是通过FFT计算得到的参数，可用于动平衡计算，一倍频幅值即为转频峰峰值，一倍频相位指转频下振动最大点与键相片之间的夹角；平均工作位置指传感器输出信号的平均值，针对摆度传感器而言，指传感器到轴表面的平均距离，对压力变送器而言，即指该测点位置的压力值；通道状态分通道正常、一级报警、二级报警和通道失效，分别以绿色、黄色、红色和灰色表示。慢变量表格显示各工况参数的通道名称及实时值，已便于了解机组当前的运行工况[4-5]。

2 TN8000系统用于滑环/碳刷温度较高的分析

按照水电厂设备风险管控的相应规定，对机组振摆、三部轴承温度及油位、电气一次设备温度等进行专题分析。同时利用TN8000系统等工具进行趋势分析及数据统计来创新工作方法，发现问题，作为生产管理与创新的重要内容，充分利用该手段为安全生产服务，为区域设备管理提供了精确分析和论证依据，提高了设备管理的科学水平[6]。我们将TN8000系统用于滑环与碳刷温度相对较高分析，得出出机组滑环与碳刷温度相对较高的原因如下：

1)碳刷与滑环机械摩擦，产生这一部分热量和滑环外径、碳刷和滑环之间的摩擦系数有关系。滑环的外径越大，线速度越大，碳刷在集电环上造成的损失和产生的能量就越多。

2)碳刷与滑环之间电流平衡的破坏产生的热量，如机组振动过大导致平衡电流被破坏。一般正常情况下，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有的碳刷工况接近，每条碳刷的电流大小接近，整体平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡。当运行工况下降，振动摆度幅度加剧，和滑环产生偏离，平衡电流破坏，导致局部发热加剧。

3)滑环/碳刷温度还与机组运行水头有关。如表1所示：(以XFB为示例)表中，XFB在低水头下(76.95 m)运行，其运行振动加剧，三部轴承摆度及上机架水平振动最高达到47 um，滑环与碳刷温度为103.6/115.9：随着水头的上升，运行工况改善振动下降，其滑环与碳刷温度明显下降趋势，如在水头103.8 m，其振动明显改善，上机架水平振动为26 um，其温度也有一定程度降低为95.9/100。机组振动及滑环/碳刷温度与水头的关系见图4。

表1 XFB机组数据分析表

注：对比其他同类型的VGS机组，XFB振动偏大，同样相比其他同类型机组其滑环/碳刷温度相对较高。

4)机组本身所带的无功对发电机滑环温度也有很大的影响。发电机所带无功越多励磁电流就越大，从而产生的热量也就越多。在同样的散热条件及其他条件相同情况下滑环的温度会必然的升高[7](见表2)，机组振动及滑环/碳刷温度与发电机无功的关系见图5。

5)所受周围环境的影响，主要是通过热辐射形式进行的热交换。该情况受周围环境的制约，如通风不良，缺少散热通道等均会导致温度的升高。例如：XXF运行过程中下滑环温度明显偏高(最高值达180℃)，目前现拆下XXF机头罩璧两侧通风口无功调低至50 MVAR后，温度降至130℃运行。

表2 XFB机组数据分析表

图4 机组振动及滑环/碳刷温度与水头的关系

图5 机组振动及滑环/碳刷温度与发电机无功的关系

3 滑环/碳刷温度过高的危害

滑环/碳刷温度过高的主要危害是：机组长时间运行便会造成碳刷发热或者温度持续升高，温度过高的碳刷容易发生脆化，这样会使碳刷和滑环之间电阻加大，甚至产生电弧现象，最终造成碳刷的损坏。完好的碳刷承受的电流不断增加，受损的碳刷产生的电弧也在加大，这样就会使碳刷与滑环之间发生环火，甚至产生弧光，使下滑环表面灼伤，刷辫熔断。强烈弧光、碳粉、油污、烧损的熔渣及金属颗粒还造成上下滑环、上滑环与下环刷握之间发生间歇性放电，致使下集电环、刷架部分烧损，上环底部及边沿被弧光灼伤。不间断的电弧产生高强的温度使下面集电环烧熔，造成下集电环接地，发电机转子一点接地保护动作。

4 结 语

本文中针对机组在大负荷长周期工况情况下，利用TN8000等系统工具进行趋势分析及数据统计，着重分析个别机组由于机组振动导致的滑环碳刷温度过高等局部过热问题，针对该情况，电厂工作人员可以将个别发热严重的碳刷取下更换，使整个滑环碳刷温度降低。亦可投入强迫补气装置，降低机组的振动工况。在系统电压能够满足要求，同时也能满足机组稳定运行的情况下，可通过适当降低机组无功来实现降低集电环的温度。同时也对设备运行状况进行了评估，证明该分析方法的可行性和有效性，取得了较好效果。实践证明该方法具有可行性和实用性，拓展了电厂机组对于相关问题的分析方法，具有广阔的应用前景。