水轮发电机集电环及碳刷热成像在线监测系统研究

梁英，万庆，曹光伟，李伟伟，闫文峰，胡明，田征前，王志宝

（贵州乌江水电开发有限责任公司沙沱发电厂，贵州 铜仁 554300）

1 立项背景

2013 年6 月26 日，电厂2#发电机在运行中，集电环及碳刷因温度过高发生故障停机，其余机组也频发碳刷温度偏高和打火现象。为保证机组安全运行，电厂增派人员加密开展巡查及温度测量，但加密巡查和温度测量不但耗工、耗时，还不能保证对设备运行状况的实时监控制和预警，存在严重的人员和设备安全隐患。为避免此类事件再次发生，电厂研究、应用红外线热成像在线监测系统，系统实现对运行集电环和碳刷进行实时监测和预警，发现集电环和碳刷运行温度异常问题，以便及时处理，消除设备隐患，同时也减少了人力资源的投入。

2 水轮发电机集电环、碳刷温度红外热成像在线监测主要做法与功能效果

通过讨论，班组协同厂家制定了发电机集电环、碳刷温度红外热成像在线监测装置方案。需要考虑以下几个问题：

2.1 热成像在线监测安装存在问题

经分析，目前设备存在问题有：首先，电缆走向的问题，因为在发电机上风洞上方，为安全且美观地走线，根据励磁电缆的走线方式进布线。其次，传输距离较远，设备的可靠性是否满足要求，从而对设备的要求较高。再次，设备处于发电机上风洞位置，要求固定必须可靠，这对施工工艺需特殊要求。最后，设备安装位置环境温度较高，进一步考验设备是否能在高温环境情况下安全稳定地运行。同时，受碳刷、集电环材质问题，环境通风情况、环境温度影响。

图1 红热热成像安装前现场情况

2.2 热成像系统安装

（1）设备前端：发电机集电环、碳刷均匀分布在一个圆周上（直径2.2 米），采用4 个热成像摄像头进行在线测试集电环、碳刷温度，并通过光纤将数据传输至监控系统。

图2 热成像现场布置

图3 热成像测量范围设置

（2）后台服务器：建立后台服务器，搭建软件平台，实时监测、显示集电环、碳刷运行情况，同时，实现统计、报警等功能。

图4

2.3 功能效果

（1）分区监控和自动报警功能。分4 个扇区对发电机碳刷和集电环温度进行实时监视，能自动追踪、显示温度最高点，能准确测量出集电环、碳刷运行温度情况。任一碳刷最高温度超标，则发出报警信息，系统自动记录下扇区编号和碳刷编号，维护人员根据信息记录，即可快速确定发热点位置。

图5 报警温度设置

（2）一键切换功能和分析功能。当常规监视发现机组异常时，系统可以实现自动巡检模式一键切换现场分析模式功能，也可以基于报警信息的快速定位切换到报警位置点和自动回复到自动监视状态。系统可以对热像图进行区域分析、点分析和线分析，实时显示所选区域最高、最低和平均温度。

图6 最高、最低、平均温度设置追踪

（3）报表功能和自我诊断功能。系统可以根据时间区间选择数值生成报告，并可以导出word/Excel 格式；系统具有自我诊断功能以及供断电自动保存与恢复功能。

图7 自我诊断功能以及供断电自动保存与恢复功能设置

2.4 热成像系统在线监测效果情况跟踪

（1）调试中将红外热成像温度与实测温度进行对比，校验其温度的正确无误，从而确保设备的安全运行。

（2）日常巡视过程中，实地测试集电环、碳刷温度并记录，与集电环、碳刷温度红外热成像在线监测做比较，运行温度正常无差异。

（3）利用检修和转动部分检查时机，针对更换碳刷和集电环继续检查，核实此问题是否依然存在，是否已经完全解决，确保设备运行安全稳定。

3 热成像在线监测系统创新亮点

通过查新，未见针对碳刷运行温度实时监视的文献报道。沙沱发电厂对碳刷采用的热成像在线监测技术属于首创，实现在线监测功能、自动报警功能、远程准确定位功能，将热成像系统化。

表1

4 热成像在线监测系统实施应用前后效益

4.1 实施前

（1）2013 年6 月26 日，巡视时未及时发现问题，造成电厂2#发电机在运行中，集电环及碳刷因温度过高发生故障停机，事故处理花了近7 天时间。

（2）需安排专业人员每两个小时对运行碳刷、集电环开展巡视检查和温度测量工作，每天至少4 人，且不能保证发现异常及时性。

（3）运行碳刷、集电环在发电机转动部分上方，位置特殊，且属于大流量裸露、高速转动部件，手动测量存在较大人员和设备安全风险。

4.2 实施后

（1）通过系统实时监测和预警功能，多次及时发现集电环、碳刷温度异常升高和打火情况，避免事故发生。

据统计，2014 年5 月12 日～2014 年10 月15 日，通过红外热成像在线监测，电厂及时发现集电环、碳刷温度异常升高和打火情况103 次，其中1#机45 次，2#机19 次，3#机17 次，4#机22 次，为打磨处理赢取最佳时间。

2014 年5 月22 日，进入汛期各台发电机励磁电流比以往有所增加，碳刷温度有所升高，3，4 号机，负极前5 个碳刷均有断续打火现象。2 号机负极80%以上碳刷有断续打火现象。人工测量温度数据如表1。

同时利用在线监测系统发现4#机负极的3 号和2 号，5月23 号观察到3 号碳刷尾部最高上升至180 度。5 月25 号3#机的2，3，4 号碳刷尾部温度分别升至190 ～220 度，升温很快，高温持续时间短的1 分钟，长的有5 分钟。

（2）消除巡视、测量的安全隐患，节约人力资源。在系统安装前，电厂人员每两个小时要使用红外温度监测仪器在发电机转动部分上方对大电流的集电环、碳刷进行检查和温度测量。相关检查和测量存在较大的人员和设备安全隐患，同时也花费大量人力。系统应用后解决上述安全隐患，每日节约4 人次的人力资源。

5 推广价值和范围

水轮发电机作为水电厂的核心设备，主要由定子、转子组成，而集电环、碳刷属于转子回路中的重要部件，为提高设备的安全可靠运行，对大中型水轮发电机集电环及碳刷热成像在线监测系统的研究，既能减少电厂人力资源的投入，又能实时掌握集电环、碳刷温度运行情况。因此，该系统研究对水电站实时观测、准确定位集电环、碳刷运行情况等有借鉴意义，值得推广。

6 创造的经济价值

（1）因事故造成的生产损失M1：

预估1 台设备发生事故后检修工期为7 天，每台设备正常工作情况下每天20h 满负荷运行，每度电售价0.35 元，因设备发生一次故障所造成的损失为m1：m1=28（万度/小时·台）×20（小时/天）×0.35（元/度）×7（天/年）=1372（万元/年·台）；

假设无巡检人员配置情况下，设备的平均年事故率α1为0.2（约5 年发生一次故障），则因事故造成的生产损失M1=m1*α1=274.4（万元/年·台）；

假设有专人巡检情况下，设备的平均年事故率α1’为0.05（约20 年发生一次故障），则因事故造成的生产损失M1’=m1×α1’=68.6（万元/年·台）。

（2）因事故造成的维修成本M2：

每台机碳刷112 套，每套1000 元，每台机集电环价值5万元，则因事故造成的维修成本M2=0.1（万元/套）×112（套/年·台）+5（万元/年·台）=16.2（万元/年·台）;

（3）专职巡检人力成本M3：

人力资源工资投入1（人/台），专职巡检人员用工成本8（万元/年·人）

M3=1（人/台）×8（万元/年·人）=8（万元/年·台）；

（4）项目的年经济价值M

原厂无巡检人员配置：M=M1+M2=290.6（万元/年·台）；

原厂有专职巡检人员配置：M=M1’+M2+M3=92.8（万元/年·台）。

即当电厂按4 台设备共计4 人配置专职巡检人员情况下，假设年事故发生率为0.05（也即每台设备发生故障的周期不晚于20 年），则本项目的投入对单台设备造成的年经济价值为92.8 万元；当电厂未配置专职巡检人员情况下，年事故发生率将明显上升，预估上升到0.2（也即每台设备发生故障的周期不晚于5 年），则本项目的投入对单台设备造成的年经济价值为290.6 万元。计算投资回报率时，建议参考年经济价值计算。成本应均摊到每台设备，同时加入系统的后期使用成本，包括维护成本、设备折旧换新成本等。