马马崖电站发电机励磁碳刷温度在线监测系统设计

刘安国，詹 飞，朱允筹，潘伟峰

（1.贵州黔源电力股份有限公司马马崖分公司，贵州省贵阳市 550002；2.南瑞集团有限公司，江苏省南京市 210003）

0 引言

碳刷作为水轮发电机组励磁系统的重要部件，数量众多，长期处于持续磨损和高温工作环境中运行，其电气参数会发生较大变化，进而导致碳刷与滑环接触面产生较大温升，且同一发电机的单个碳刷参数变化不一致导致的负载电流失衡将会引起滑环发热，甚至发生碳刷起火招致意外停机的重大损失。

目前，利用手持红外成像仪[1]测量发电机碳刷、滑环的温度已成为大型电厂较为实用和常用的测温方法，但存在以下问题：

（1） 每次人工测量由于测量距离、测量角度的不同必然造成测温结果的误差；

（2） 人工测量采用定时巡检的方式进行，巡检间隔长，不能做到碳刷温度过高的及时测量与预警；

（3） 人工测量数据不连续，不利于对碳刷温度变化趋势进行分析。

显然，上述采用人工巡检进行发电机碳刷、滑环温度及状态监测的方式已不适应当前“无人值班、少人值守”水电站及智能水电厂[2]智能巡检[3]技术的发展需求，因此，亟须采取数字化、智能化的技术手段，对水轮发电机组励磁系统的碳刷和滑环温度进行7×24h不间断的在线监视与故障预警。

1 概述

马马崖一级水电站为北盘江干流（茅口以下）规划梯级的第二级，属二等大（2）型工程，枢纽工程由碾压混凝土重力坝、坝身开敞式溢流表孔、坝身放空底孔、左岸引水系统及左岸地下厂房等主要建筑物组成。工程任务以发电为主，航运次之。坝址控制流域面积16068km2，多年平均流量309m3/s，下放生态流量34.1m3/s。水库正常蓄水位585m，相应库容1.365亿m3，死水位580m，调节库容 0.731亿m3，水库具有日调节性能。电站装机容量558MW，安装三台单机容量为180MW的水轮发电机组和一台18MW的生态机组。

目前，电站对发电机碳刷和滑环的状态监测采取定期人工巡视检查的工作方式，由于碳刷和滑环机械结构紧凑、设备安装空间小、运行参数实时变化，传统人工巡检很难及时发现设备隐患，同时这种工作方式耗时费力，且巡检时存在一定的安全隐患。

为了解决上述问题，同时也作为中国华电集团推进“远程诊断、少人值守”建设的具体举措，马马崖分公司专门设立了“智能化热像仪温度监测系统在水电站的研究与应用”科研课题，拟以其18MW的生态机组为研究对象，开发发电机励磁碳刷温度在线监测系统，通过红外热成像[2]技术实时采集每路碳刷温度信息和红外图像信息并远程传输到监测后台，通过现场监视屏和监测服务器，代替人工巡检，实现发电机碳刷表面及滑环接触面运行温度的连续在线监测及报警，及时发现碳刷及滑环温度过高的事故隐患，解放劳动生产力；同时，系统结合监控系统采集的励磁电流等工况参数，实现与碳刷温度的相关计算、分析和每个碳刷之间的电气参数的差异性统计；再结合设备运行环境温度和湿度数据，实现碳刷局部过热、放电及短路等的提前预警，为碳刷的提前预防维护提供直接判断依据，从而减少意外停机并提高设备利用率，为电厂预测性维护和状态检修[3]提供决策建议。

2 设计原则

基于用户的生产及工艺要求，整个发电机励磁碳刷温度在线监测系统对稳定性、维护性及可扩展性要求较高，其设计原则如下：

（1）系统安全性高，不产生安全事故；

（2）系统维护简单方便；

（3）系统能够扩展性好，能对数据进行分析；

（4）系统稳定性高，能够在目前工况情况下长期稳定运行。

3 设计需求

马马崖电站发电机励磁碳刷温度在线监测系统需要对每个碳刷温度、机罩环境温湿度监测数据的查询、统计功能，通过选择机罩、碳刷以及时间范围来查询碳刷温度、机罩环境温湿度的历史数据，并能以曲线方式更直观地显示数据的走向与分布情况。

统计内容包括：

（1） 碳刷温度与机罩环境温湿度的日平均值、最大值、最小值，曲线及图表；

（2） 碳刷温度与机罩环境温湿度的月平均值、最大值、最小值，曲线及图表；

（3） 碳刷温度与机罩环境温湿度的季平均值、最大值、最小值，曲线及图表；

（4） 任意时间段内碳刷温度与机罩环境温湿度平均值、最大值、最小值，曲线及图表。

通过分析这些基础监测数据，为发电机电刷滑环系统的运行维护等工作提供重要依据。

4 系统结构

马马崖电站发电机励磁碳刷温度在线监测系统主要由红外热像仪、防护装置、湿度探测器、监视器、工控主机等组成，集红外温度监测红外视频监控、实时温度曲线、温度分析、预警等功能于一体。为了保障长期稳定运行，红外热像仪安装于防护装置内。

作为系统数据采集的核心，红外热像仪采用以低功耗高性能主控架构，主控对整个红外热成像的数据采集、数据分析和数据通信等功能进行控制和处理，软件对获取的温度进行实时分析计算处理，用户在中控室的汇控屏上进行远程监测，及时掌握设备状态和预警信息。

系统通过红外热像仪采集发电机励磁每个碳刷温度及电流，但发电机机罩内空间较小，励磁碳刷数量多（共30个碳刷），且分布为 2 层圆形布置（励磁正负极端各布置15只，170°半圆形分布），因此需要6个红外热像仪才能实现全部碳刷温度的完整采集。同时，为避免发电厂强磁场环境中对红外图像信息传输的影响，以及实现红外视频高速传输，整个数据传输系统采用光纤通信，将采集到的碳刷数据信息以光纤通道传输至监测服务器，实现可靠的远程在线监测，并在监测后台对采集到的碳刷红外图像进行识别和处理分析，并实现温度报警出口决策。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Figure 1 System structure diagram

5 系统功能

（1）在发电机机罩内部使用红外成像和可见光成像二合一传感器，实现非接触式采集碳刷温度红外图像信息和碳刷运行图像信息，并同时使用温湿度传感器采集机罩内部环境温湿度。

（2）通过光纤数据传输将碳刷的红外图像、可见图像和机罩环境温湿度送至监控后台，在监控后台对上传的图像进行智能识别和分析，自动识别每一个碳刷温度的分布情况，实现碳刷温度的远程实时监测，并生成碳刷温度巡检报告。

（3）对识别到的碳刷温度分布情况，并结合环境温湿度和机组工况（负荷、励磁电流等）等进行智能分析，及时发现碳刷滑环系统缺陷，自动告警并生成发电机电刷滑环系统故障诊断报告。

（4）提供碳刷温度及电流在线监测数据统计分析。实现对每个碳刷温度及电流监测数据、机罩环境温湿度监测数据的查询和统计，通过选择机罩、碳刷及时间来查询碳刷温度、机罩环境温湿度历史数据，并以曲线的方式进行显示。数据统计内容包括：

1）碳刷温度与机罩环境温湿度的日平均值、最大值、最小值曲线及图表；

2）碳刷温度与机罩环境温湿度的月平均值、最大值、最小值曲线及图表；

3）碳刷温度与机罩环境温湿度的季平均值、最大值、最小值曲线及图表；

4）任意时间段内碳刷温度与机罩环境温湿度平均值、最大值、最小值曲线及图表。

6 红外热像仪设计

6.1 热像仪主要技术参数

红外热像仪用于实现对现场运行工况的热像图像信号的采集和处理，包括红外成像及数据输出。其主要技术参数要求如表1所示。

表1 热像仪主要技术参数Table 1 Main technical parameters of thermal imager

6.2 热像仪镜头主要参数

功能：采集红外光谱，成像于红外热像仪。热成像镜头根据镜片波长规格，阻挡过滤可见光通过的同时允许红外线通过，可以在可见光红外线混合的光线环境中将红外效果分离出来，然后在CCD上成像。其外观图如图2所示。

图2 红外热像仪镜头外观图Figure 2 Appearance of infrared thermal imager lens

镜头类型：4mm F1.2；

聚焦类型：无热化；

视场角（水平×垂直）：90.3°×60.7°。

6.3 红外热成像专用测量与分析软件功能

（1）图像显示。多相机图像显示；动静态画面拍摄，热像视频监控；温度图像的记录与回放；硬盘存储方式储存任意时刻或时段温度图像，历史视频数据存储30天，历史温度数据存储1年。

（2）图像测温。多区域并行测温，实时显示各区域最高、最低和平均温度；能够提供测温区域直线上的最高温度、最低温度及平均温度分析；提供测温区域矩形、多边形、（椭）圆形、最高温度、最低温度及平均温度分析；任意点温选测量，鼠标位置跟随温度显示；自动显示温度图像最高、最低和平均温度；发射率设置。

（3）趋势分析。在线监测各个区域的温度均差；实时显示并存储多区域或多点温度曲线；实时显示并存储整体最高温、最低温和平均温度曲线；可设定温差与温度阈值报警。

7 机罩安装方案设计

由于单只碳刷的额定电流密度有限，而现代大中型水轮发电机组的励磁电流数值很大，发电机组的碳刷数量较多，而每个热像仪受其视场角限制，需要6组嵌入式热像仪来实现全景碳刷温度监测。

考虑到传感器布置后不影响运行中的碳刷维护，结合水电站刷握结构特点，热像仪通过专门设计的支架固定于机罩内壁上方，镜头对准碳刷，每个热像仪的电缆接入到位于机罩内壁的汇聚盒。其安装设计示意图如图3所示。

图3 嵌入式热像仪机罩安装设计图Figure 3 Installation design diagram of embedded infrared thermal imager hood

根据现场条件，设计了两种现场安装方式供选：

第一种：监测上排电刷的红外热成像设备通过焊接或打孔固定在空间的顶部，监测下排电刷的红外相机安装在侧面，通过打孔螺栓固紧。这种安装方式中，上部分红外相机与竖直方向的夹角比较小，能够更全面监测碳刷的温度值，不足之处在于安装方式有困难，顶部打孔条件难以具备，焊接粘贴方式不可靠，有掉落产生生产事故的安全隐患。

第二种：监测上排电刷的红外热成像设备通过打孔固定在空间竖直与顶部交接的金属壳体上，监测下排电刷的红外相机安装在侧面，通过打孔螺栓固紧。这种方式上部的红外相机与竖直方向夹角较大，监测碳刷温度的效果相比较第一种要差一些，但也能够监测到碳刷的温度与变化，这种安装方式相比较更加稳定可靠，难以产生事故。

基于安全可靠的首要原则，经过综合比选，最终采用第二种安装方式。

8 系统预期成效

发电机励磁碳刷温度在线监测系统后台与嵌入式热像仪采用光纤网络通信，后台主要包括监控中心、报警管理、设备管理、用户管理、日志管理等模块，对不同种类的监测数据以多维度、多展示形式的方法对多种类型信息进行综合展现，用户可以查看到更加详细或更加精准时间范围的统计信息。系统红外成像效果如图4所示，碳刷温度监测效果如图5所示。

图4 系统红外热成像效果示意图Figure 4 Schematic diagram of infrared thermal imaging effect of the system

图5 系统碳刷温度监测效果图Figure 5 Effect drawing of system carbon brush temperature monitoring

9 结语

目前，马马崖电站发电机励磁碳刷温度在线监测系统已完成红外热像仪的现场安装和调试，下一步重点工作是完成与电站统一设备状态监测系统后台数据和功能联调。系统投运后，将从根本上改变目前马马崖电站对碳刷和滑环采取的定期人工巡检工作方式，将碳刷温度监测预警纳入现有电站设备在线监测的范畴，以缓解现场运行值班人员的工作强度，并降低设备安全隐患，可推广至其他水电站励磁系统的智能巡检工作中。同时，系统的研制，也将填补热成像及视频在水电站巡检系统研究及应用上的空白，项目科研成果还可推广应用至发电机定子线圈端部、转子表面、封母外壳、母线、变压器等一次设备以及水泵、气机、风机等辅助设备表面温度及视频的智能巡检工作中，这也是智能水电厂的核心体现之一。