碳刷温度与励磁电参数综合分析系统

陈朝晔，朱恋恋，季学友，潘明泽

（1.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602；2.杭州中为电子科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

2019年11 月份，本公司在厂内6号机组集电环小室内安装了一套发电机碳刷红外热成像智慧分析系统，该系统利用红外热成像技术，将发电机每个碳刷及集电环的温度都以图像的形式清晰直观地展示出来，系统将每个碳刷都做为一个独立的测温对象，通过对实时温度、温升趋势、历史温度曲线等数据的统计与分析，初步判断发电机碳刷及集电环的工作状态，并通过不同规则的预警、报警措施进一步保障发电机组的安全运行[1]。

公司通过实际测试以及对舟山电厂、乐清电厂、嘉兴电厂、台州电厂等火力发电厂的相关电气技术专工的交流讨论发现，如果只单单监测发电机碳刷的温度并不足以说明发电机组的运行状况，发电机组在不同负荷下运行碳刷发生故障时的温度并不相同（例如，在发电机组载满负荷运行时碳刷正常工作温度可达110℃，但在20%负荷下运行时碳刷温度如果上升60℃就代表碳刷可能出现故障）。发电机组集电环-碳刷系统的运行状况，必须通过碳刷的实时温度与励磁电流、励磁电压以及发电机发电功率等电参数，结合综合分析来判断。针对电厂的实际情况，本公司在原有的发电机碳刷红外热成像智慧分析系统的基础上，增加电参数数据采集模块以及相对应的分析系统模块。

1 碳刷温度与电参数数据采集

1.1 发电机碳刷红外热成像智慧分析系统

发电机碳刷红外热成像智慧分析系统，利用红外热成像技术采集发电机碳刷及集电环各部位的温度，并将其温度分布情况以热图像展现出来，并在本地计算机中建立数据库储存温度数据、热图像、视频等[6]；利用系统软件中的点、线、多边形等测温控件对每个碳刷实施重点部位的重点监控，通过历史温度曲线、温升趋势将发电机励磁系统历史及实时的工作状态展示出来，配合温度阈值报警、温升速率报警、温升趋势预警等手段，进一步保障发电机励磁系统的安全运行；同时利用互联网云技术，在集团内部服务器中建立“云端大数据库”将本地的温度数据、热图像、视频等同步到“云端”，实现集团内部的数据共享，同时扩大了数据库的基数，让得到的数据更为可靠、可信。

1.2 励磁电参数采集模块

励磁电参数采集模块主要是采集励磁总电流、励磁电压、有功功率、无功功率以及每个碳刷所分担的励磁电流。结合电厂的实际情况，励磁总电流、励磁电压、有功功率、无功功率的检测模块，电厂之前已经安装。检测到的数据已送入DCS系统，电参数采集模块只需要主动去调取数据就行，而单个碳刷所分担的励磁电流电厂原先是由巡检人员巡检时用手持的钳形表测量，没有可调用数据的实时检测设备，需要重新设计并安装一套单个碳刷励磁电流检测的设备。

1.3 励磁电流检测装置

电流检测一般采用霍尔传感器，霍尔传感器分为闭环、开环无磁、开环有磁霍尔传感器。闭环霍尔传感器测量精度高但体积大、成本高，碳刷周边的空间狭小，一个刷握上有4～6个碳刷，空间狭小不适合使用闭环霍尔传感器；开环无磁霍尔传感器精度低，误差高达16%左右；开环有磁霍尔传感器精度误差1%左右[2]，可以满足实际需求，且体积小、成本低。所以，碳刷的励磁电流本公司采用开环有磁霍尔传感器进行测量。

励磁系统中碳刷的数量少则60多个，多则上百个，励磁电流测量数据如果采用有线传输，布线将会非常麻烦，而且会对现场的通风等环境造成不利影响[3]。本公司综合分析对比几种传输技术，最终选择利用2.4G无线传输技术将励磁电流数据传输出来，其抗干扰性能好、抗多径衰落能力强、对环境噪声的要求低、通信质量好、保密安全性高度可靠而且功耗较低；无线信号接收器安装在集电环小室内接收并解析电流数据，再通过通信电缆以RS485通讯的方式传输给励磁电参数采集模块。

励磁电流检测装置的供电电源采用感应取电与锂电池供电相结合的双电源供电，保障装置的长期可靠运行。感应取电即通过感应线圈收集流经碳刷刷辫的电流所产生的电磁能量并将其转换成电能[4]，为传感器提供工作电源，并通过智能储能技术将多余的电能储存在锂电池内，通过智能调频技术根据感应到的电能以及剩余电能合理安排数据的传输频率，确保传感器的连续工作。实测中，当碳刷刷辫通过的励磁电流大于0.5A时（锂电池无电），传感器即可启动工作，数据4min传输一次；当碳刷刷辫通过的励磁电流大于3A时（锂电池满电），传感器数据传输速率可达1s一次；当碳刷刷辫通过的励磁电流小于0.5A时，单独使用锂电池供电，传感器可继续工作1个月。

2 碳刷温度与励磁电参数综合分析系统

碳刷温度与励磁电参数综合分析系统是根据电厂的实际需求，在原有的发电机碳刷红外热成像智慧分析系统中，增加励磁电参数采集模块以及综合分析模块，辅助运行人员掌握发电机励磁系统的实时运行情况。如图1所示，系统首先由电参数采集模块与红外热像仪采集励磁系统的电参数及碳刷温度数据，采集到的数据通过以太网传输到计算机中，由系统软件进行分析处理并保存在数据库中，碳刷的温度以红外热图像的方式显示如图2所示，励磁电参数以实时窗口及电流分布曲线的形式显示如图3所示。最后，分析模块再利用数据库对碳刷温度数据、单碳刷励磁电流、碳刷使用情况、励磁系统工作状态等情况进行综合分析，保障发电机组的安全运行。

温度数据分析即是对碳刷的温升速率及温升趋势的综合分析，机组运行过程中碳刷的温度会受多种因素影响而发生变化，分析系统基于数据库内的温度数据综合分析出碳刷温度合理的变化范围，再利用温升速率报警及温升趋势预警来辅助运行人员判断碳刷的实时运行情况。

碳刷电流分析即是对单个碳刷所分担的励磁电流情况进行分析，碳刷由于其生产材质、批次、工艺、磨损度等因素的不同，使得各个碳刷的电阻值也存在着差异，每个碳刷所分担的电流值也不同。碳刷的“负温度特性”是指碳刷温度越高其阻值越小，分担的励磁电流越大产生的热量越多，容易形成一个恶性循环，分析系统摒弃了传统的电流数据以统计表格的形式展示[5]，而采用电流分布曲线的方式展示，对比图3、表1可以发现分布曲线能更清楚地显示出励磁电流的分布情况，也能更为直观地展示出励磁电流异常的碳刷数量及位置。同时，分析系统再通过对电流数据的统计与分析计算，确定一个合理的电流差值（同一时间最大电流与最小电流的差值）及电流占比值（单个碳刷励磁电流占总电流的比值）波动区间，并设置报警信号辅助运行人员判断碳刷的实时运行情况。

图1 系统图Fig.1 System diagram

图2 红外热成像图Fig.2 Infrared thermal imaging diagram

图3 励磁电流分布图Fig.3 Distribution diagram of excitation current

碳刷使用情况、励磁系统工作状态等情况的分析是建立在大数据的基础之上，通过纵横向对比分析碳刷温度及电流，利用温度及电流数据来判断碳刷的使用情况及励磁系统的工作状态。利用同一位置碳刷更换碳刷前后所分担电流数值及占比值，以及使用1、2、3个月后碳刷所分担电流数值及占比值，再结合碳刷的温度数据判断励磁系统工作状态以及碳刷是否需要更换检查；利用碳刷的温度及电流数据综合对比分析得出励磁电流通过碳刷时碳刷的合理温度，再通过温度来判断励磁系统的通风、散热等情况。

3 总结

表1 励磁电流统计表Table 1 Excitation current statistics table

碳刷温度与励磁电参数综合分析系统，通过红外热图像、历史温度曲线、励磁电流分布曲线将碳刷温度、温升趋势、励磁电流分布等情况显示出来，运行人员能非常直观地掌握励磁系统的工作情况，并快速找到故障碳刷的位置与数量。系统利用互联网云技术实现本地数据库与集团数据库数据共享，提高数据的可靠性，再通过对碳刷的温度数据、电流数据的纵横向综合对比分析，判断发电机组励磁系统的工作状态，保障机组的安全运行。