发电机碳刷智能监测的策略研究

李勇 薛长奎 罗勇 黄国微

摘要：发电机碳刷和集电环是动静接触和能源交换的装置，运行时处于持续磨损中，容易受机械、电气等因素影响而导致碳刷和集电环等部件发热、破损或松动，进而导致负载电流失衡引起滑环发热甚至起火，造成重大损失。因此，发电机碳刷监测很有必要。本文针对上述问题对碳刷监测进行了研究，提出一种碳刷磨损、温度和电流的监测方案。

关键词：发电机碳刷;监测系统;碳刷磨损

1 概述

发电机运行时，碳刷处于持续磨损中，其电气参数会发生较大的变化，进而导致碳刷与滑环接触面产生较大温升，且同一发电机的每个碳刷参数变化不一致，可能将会导致负载电流失衡引起滑环发热甚至起火，造成重大损失。发电机碳刷发热现象运行中时有发生，严重威胁发电机的安全运行[1]，如2013年6月，贵州某电厂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[3]。因此，碳刷的运行状况，直接关系到机组的安全运行，对机组碳刷进行状态监测很有必要。

目前，国内各类水电、火电站的发电机的碳刷监测，主要由运行人员定期对碳刷温度和电流手动测量并且详细记录完成，然后根据测量结果分析碳刷运转情况，对运行状况差的碳刷进行调整[2]。这种模式存在运行人员工作量大、效率低等缺点。另外，在巡检时需要运行人员靠近高速转动的机组，存在很大的安全隐患。而且，传统的巡检方式，周期间隔长，采集数据不连续，获得的数据很片面，不能反映碳刷的整体运行状态，有失科学性、存在明显的局限性。因此，急需一种监测策略，实现发电机碳刷实时监测。

2 碳刷智能监测策略

本文针对发电机碳刷监测系统的需求，结合刷握结构特点，通过系统集成、设计和开发，提出实现发电机碳刷智能监测的一种策略。

本碳刷智能监测系统策略将磨损、温度及电流传感器和碳刷刷握一体化设计，通过无线方式传输数据，结构简单、安装可靠。系统能够实时、连续地对碳刷磨损量、温度以及电流等运行状态进行监测，当碳刷存在异常或故障时，发出报警信号，保障设备的安全。系统还能将数据信息上传至远程监控计算机，实现发电机碳刷运行状态的远程监控，为机组远程监测的实现提供支持。本碳刷智能监测系统，不仅可以运用于各种热电发电机，还可运用于水电等其它各种有刷电机的碳刷在线监测。

2.1系统组成

碳刷智能监测系统由数据采集传感器、无线传输装置、数据中继、工业计算机等设备组成，系统结构如图1所示。其中数据采集传感器完成数据采集，由碳刷磨损、温度以及电流传感器组成。本系统通过集成化设计，将传感器集成在刷握适当位置，不改变碳刷结构，适用于通用碳刷。采用无线传输，减少电缆、便于布置。

图1碳刷智能监测系统图

2.2系统功能

碳刷智能监测系统能够实时、连续地采集每个碳刷的运行电流、温度和磨损度，并将其转换成数字信号，通过无线传输将数据传送至后台显示。当参数超过阀值时，发出报警。另外，系统具有人机接口功能，方便显示和参数设定。

（1） 碳刷温度监测及报警

为了提高监测精度，碳刷温度监测选用接触式方案，将传感器固定于碳刷上适当位置。测温电阻的阻值随着碳刷温度变化而改化，能够精确反应碳刷的实际温度，测量精度高且安装方便。实时显示碳刷温度，当温度超过报警值时，报警。

（2） 碳刷电流监测

在传统的运维模式下，运行人员定期用钳形直流表测量各个碳刷上承载的电流[2]，存在数据不连续、不安全等问题。本系统选用霍尔电流传感器与刷握一体化设计，能够实时监测每个碳刷上的电流。

（3） 碳刷磨损监测及报警

机组持续运行时，碳刷的长度会逐渐减少，当碳刷磨损到一定量时，需要及时更换。为了避免由碳刷磨损引起的事故，须对碳刷磨损进行连续性的监测。本系统选用磨损传感器，精度可控、抗干扰能力强等优点，保证了磨损测量的稳定性。系统能够实时显示碳刷剩余长度，当剩余长度小于设定时，报警，及时通知人员更换。

（4） 参数设置及数据远传

碳刷智能监测系统配置了软件平台，完成数据采集、存储、分析及实时显示、报警的功能。运行人员通过人机界面设置显示和报价参数。同时，留有通用的通讯接口，方便数据远传。

3结论

近几年，电站由于碳刷过热导致起火甚至机组长时间停机的事故常有发生，设置碳刷智能监测系统很有必要。部分新招标机组明确提出了碳刷监测功能的需求，因此碳刷智能监测是大势所趋。相对于传统监测方式，本智能监测系统策略在监测技术和数据维度方面增加了连续性和完整性，能最大程度采集到被监测设备整体运行状态特征，让其在有效监测下运行，从而减少机组故障发生概率，提高机组无故障运行时间。本策略的实施能改变碳刷室巡检模式，减少运行人员、节约人力成本;还能大量累积碳刷运行状态数据，对实现机组远程故障诊断和預防性维护打下基础，符合电站智能化发展的趋势。

参考文献

[1] 张玉龙 发电机碳刷发热及预防措施[J]. 贵州电力技术，2015（07）.

[2] 张萌 发电机励磁碳刷发热分析与处理[J].中国设备工程，2019（09）.

[3] 梁英 水轮发电机集电环及碳刷热成像在线监测系统研究[J].中国设备工程，2019（23）.

作者简介：李勇（1985-），大学本科，工程师，现就职于东方电气集团东方电机有限公司，主要从事电站系统设计及应用相关工作，Email：liyong1751@163.com