水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)測溫改造與實(shí)施

劉 偉，楊治全

（華能瀾滄江水電股份有限公司檢修分公司，云南 昆明650214）

集電環(huán)和碳刷是水輪發(fā)電機(jī)動靜接觸和能量傳遞的設(shè)備，也是發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的重要組成部分，集電環(huán)處溫度能反映設(shè)備的運(yùn)行工況，其溫度過高可能會燒毀集電環(huán)和碳刷，甚至?xí)Πl(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)帶來影響。本文結(jié)合小灣、糯扎渡水電站集電環(huán)測溫系統(tǒng)改造經(jīng)驗，具有較好的借鑒和推廣意義。

1 改造前狀態(tài)

目前小灣、糯扎渡水電站發(fā)電機(jī)集電環(huán)室安裝2個PT100溫度傳感器，只能測量集電環(huán)室內(nèi)環(huán)境溫度，不能準(zhǔn)確反映“集電環(huán)溫度”。集電環(huán)溫度是通過手持式測溫裝置進(jìn)行定期測量，測量溫度是一個瞬時值，不能測得機(jī)組在不同負(fù)荷下集電環(huán)的溫度，不能實(shí)時監(jiān)測集電環(huán)溫度變化趨勢，不能對碳刷與集電環(huán)表面溫度情況的實(shí)時掌握，只能通過人工測量集電環(huán)溫度。不但增加水電廠運(yùn)維人員的工作量，而且對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)不能實(shí)時掌握，對發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。

2 方案設(shè)想

為了便于運(yùn)行人員實(shí)時掌握發(fā)電機(jī)集電環(huán)發(fā)熱及溫度變化情況，小灣、糯扎渡水電站發(fā)電機(jī)集電環(huán)室安裝2個紅外測溫傳感器，分別測量集電環(huán)正負(fù)極溫度，通過發(fā)電機(jī)測溫儀表將溫度模擬量、開關(guān)量信號上送監(jiān)控系統(tǒng)。開關(guān)量信號通過監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)邏輯判斷，啟動機(jī)械事故停機(jī)流程；模擬量信號上送監(jiān)控畫面，方便于實(shí)時監(jiān)視集電環(huán)溫度，及時發(fā)現(xiàn)異常并處置。

2.1 測溫總體框架

信號回路通過中間層端子箱將集電環(huán)室溫度信號送入發(fā)電機(jī)儀表柜，進(jìn)而上送至監(jiān)控系統(tǒng)，信號回路見圖1。2個紅外測溫傳感器安裝于集電環(huán)室支架上，見圖2。

圖1 發(fā)電機(jī)集電環(huán)測溫信號回路

圖2 發(fā)電機(jī)集電環(huán)測溫傳感器布置圖

2.2 設(shè)備選型

（1）測溫傳感器選型

發(fā)電機(jī)集電環(huán)是隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動，測量發(fā)電機(jī)集電環(huán)溫度需要使用非接觸式溫度傳感器，采用紅外線測溫傳感器。紅外線測溫傳感器在小灣、糯扎渡發(fā)電機(jī)出口封閉母線導(dǎo)體測溫中廣泛使用，運(yùn)行較為可靠。選用美國雷泰提供的RAYMI310LTS-CB25型紅外測溫傳感器，該傳感器由測溫探頭和通信盒兩部分組成，傳感器探頭將測溫信號提供給通信盒，通信盒將此信號上送至測溫儀表。該型號溫度傳感器見圖3。

圖3 紅外溫度傳感器組成圖

（2）測溫儀表的選型

發(fā)電機(jī)測溫儀表柜上新增集電環(huán)正負(fù)極測溫儀表選用JM Concept XALIS 3400測溫儀表，它能同時輸出模擬信號和開關(guān)信號，上送監(jiān)控系統(tǒng)用于顯示、告警和事故停機(jī)邏輯判別。儀表溫度高參數(shù)設(shè)置為80℃，過高設(shè)置為100℃。

2.3 支架制作及安裝位置

分別按照圖4制作集電環(huán)正極和負(fù)極測溫探頭安裝支架，將支架焊接至集電環(huán)室下游側(cè)-Y向碳粉收集裝置處偏-X方向第3個間隔處（詳見圖2），支架安裝點(diǎn)與集電環(huán)直線距離為210mm，確保支架焊接牢固可靠，無虛焊、點(diǎn)焊現(xiàn)象。

圖4 集電環(huán)測溫支架尺寸

將2個紅外線測溫傳感器分別安裝在集電環(huán)室支架上（詳見圖4）。傳感器與集電環(huán)之間的距離為210mm，將其輸出信號電纜接入傳感器通信盒。根據(jù)測溫儀表尺寸（92mm×45mm），在發(fā)電機(jī)測溫儀表柜前面板上開孔，安裝2塊用作顯示的測溫儀表，用作顯示集電環(huán)正負(fù)極溫度。敷設(shè)2根4×1.5控制電纜，將傳感器通信盒輸出模擬量信號接入發(fā)電機(jī)測溫儀表柜。

2.4 電源回路

根據(jù)紅外測溫傳感器的工作原理，在發(fā)電機(jī)測溫儀表柜電源端子取AC220V電源，將其接入新增電源模塊，轉(zhuǎn)換為DC24V，為2個集電環(huán)測溫通信盒提供電源。數(shù)顯儀表電源取自儀表柜AC220V電源端子。

2.5 溫度信號上送

敷設(shè)2根4×1.5控制電纜至機(jī)組LCU A3柜，將集電環(huán)正負(fù)極測溫儀表輸出模擬量信號送入LCU A3柜XAI9端子排，其輸入通道AI140、AI141，分別對應(yīng)端子號為XAI9-23/24、XAI9-25/26。將儀表輸出溫度高開關(guān)量送入LCU A3柜XDI13端子排，其輸入通道DI390、DI391，分別對應(yīng)端子號為XDI13-6、XDI13-7，公共端為XDI13-35。敷設(shè)1根4×1.5控制電纜至機(jī)組LCUA1柜，將輸出兩路溫度過高開關(guān)量送入LCUA1柜XII4端子排，其通道為SOE116、SOE117，對應(yīng)端子號為XII4-20，、XII4-21，公共端為XII4-35。

2.6 監(jiān)控數(shù)據(jù)庫及畫面修改

將監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中機(jī)組模擬量序號139描述“機(jī)組AI備用139”改為“集電環(huán)正極溫度”，序號140描述“機(jī)組AI備用140”改為“集電環(huán)負(fù)極溫度”。開關(guān)量序號389描述“機(jī)組DI備用389”改為“集電環(huán)正極溫度高”，序號390描述“機(jī)組DI備用390”改為“集電環(huán)負(fù)極溫度高”。SOE量序號116描述“機(jī)組SOE備用116”改為“集電環(huán)正極溫度過高”，序號117描述“機(jī)組SOE備用117”改為“集電環(huán)負(fù)極溫度過高”，序號192描述“機(jī)組備用壓板LP12”改為“集電環(huán)溫度過高停機(jī)壓板”。在監(jiān)控溫度畫面中新增“集電環(huán)正極溫度”和“集電環(huán)負(fù)極溫度”畫面。監(jiān)控側(cè)數(shù)值顯示與儀表顯示一致。

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯修改

按照《水電廠無人值班評價細(xì)則》要求，對機(jī)組本體PLC控制邏輯進(jìn)行修改，并在LCU柜增加“集電環(huán)溫度過高”事故停機(jī)壓板，將“集電環(huán)溫度過高”作為機(jī)組機(jī)械事故停機(jī)啟動源之一。

（1）事故停機(jī)啟動條件

本體PLC機(jī)械事故停機(jī)啟動條件：機(jī)組空載態(tài)OR機(jī)組發(fā)電態(tài)，“集電環(huán)正極溫度過高（開關(guān)量）”AND“集電環(huán)負(fù)極溫度過高（開關(guān)量）”AND“集電環(huán)溫度過高事故停機(jī)壓板投入”。

（2）本體PLC機(jī)械事故停機(jī)控制邏輯修改

1）機(jī)組LCU本體PLC程序“AUTO_START”段機(jī)械事故停機(jī)流程中增加發(fā)電機(jī)集電環(huán)溫度過高啟動機(jī)械事故停機(jī)流程條件判斷，如圖5所示：

圖5 集電環(huán)溫度過高啟動機(jī)械事故停機(jī)流程條件

2）在機(jī)組LCU本體PLC程序“AUTO_START”啟動原因中增加程序段，如圖6所示：

圖6 啟動機(jī)械事故停機(jī)新增程序段

修改機(jī)組報警碼，將42修改為集電環(huán)溫度過高。

3 方案實(shí)施

根據(jù)現(xiàn)場的要求，對以上設(shè)想的可行性進(jìn)行分析、評估、論證。此設(shè)想能夠完成實(shí)時監(jiān)測發(fā)電機(jī)集電環(huán)正負(fù)極溫度。具體實(shí)施按照以下步驟進(jìn)行。

（1）根據(jù)要求，制作集電環(huán)正極和負(fù)極傳感器測溫探頭安裝支架。在發(fā)電機(jī)測溫儀表柜上開孔，安裝兩塊用作顯示測溫儀表。

（2）將正負(fù)極測溫支架固定在集電環(huán)室踏板上，將正負(fù)極測溫傳感器探頭安裝在支架上。

（3）將測溫傳感器探頭電纜接入通信盒，其模擬量信號上送至儀表柜。

（4）將集電環(huán)正負(fù)極測溫儀表輸出模擬量、開關(guān)量信號（溫度高報警)分別接入到機(jī)組LCU A3柜，將開關(guān)量信號（溫度過高報警）接到機(jī)組LCU A1柜。

（5）將集電環(huán)正負(fù)極測溫儀表電源輸入接到儀表柜電源端子。

完成以上部分的相關(guān)接線，標(biāo)識完善，回路做好絕緣檢查，信號核對等工作。

4 試驗調(diào)試

4.1 試驗前的準(zhǔn)備

（1）監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控畫面、機(jī)組PLC程序修改完成后，將修改好的程序更新至調(diào)試專用虛擬主機(jī)，方可開展靜態(tài)測試。

（2）將虛擬主機(jī)連接至機(jī)組LCU，并驗證修改控制邏輯正確，能完成各項功能。

4.2 集電環(huán)測溫儀表開入、開出測試

（1）檢查送至監(jiān)控系統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量信號正確上送。

（2）檢查正負(fù)極通信盒LCD顯示屏溫度信息顯示與測溫儀表顯示一致，記錄顯示溫度。

（3）使用紅外線成像儀或其他方式測量集電環(huán)溫度，驗證與測溫傳感器測量數(shù)據(jù)一致。

4.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

（1）發(fā)射率設(shè)置：按下通信盒面板“回車”按鍵，進(jìn)入“head”菜單頁面通過上下鍵進(jìn)入“Emissivity”設(shè)置界面；反復(fù)對比通信盒顯示溫度與紅外線成像儀溫度，設(shè)置合適的發(fā)射率數(shù)值，使得通信盒顯示溫度與紅外線成像儀測量溫度一致（差值＞1℃）。

（2）設(shè)置集電環(huán)正負(fù)極測溫儀表量程，使得集電環(huán)測溫儀表顯示溫度與通信盒溫度一致，設(shè)置集電環(huán)正負(fù)極溫度高（80℃）、過高（100℃）值。

（3）模擬集電環(huán)正負(fù)極溫度，用一個可改變物體溫度達(dá)到測溫儀表設(shè)定溫度高和過高報警值，檢查儀表能否正確開出溫度高、過高信號。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置集電環(huán)正負(fù)極溫度范圍，-40～600設(shè)置為監(jiān)控系統(tǒng)的工程值。監(jiān)視畫面集電環(huán)正負(fù)極溫度顯示正常，與現(xiàn)地通信盒及測溫儀表顯示一致。

4.4 集電環(huán)溫度過高啟動機(jī)械事故停機(jī)流程功能測試

（1）模擬機(jī)組發(fā)電態(tài)，投入機(jī)組本體PLC集電環(huán)溫度過高壓板。

（2）短接機(jī)組本體LCU“集電環(huán)正極溫度過高”SOE信號（SOE[116]）和“集電環(huán)負(fù)極溫度過高”SOE信號（SOE[117]）。觀察確認(rèn)本體LCU機(jī)械事故停機(jī)流程正常啟動。

通過以上測試，之前設(shè)想的各項功能均能實(shí)現(xiàn)，控制邏輯滿足要求，事故停機(jī)信號動作正確，能夠滿足實(shí)際的要求。圖7為改造后的照片。

5 結(jié)論

圖7 改造后的效果

改造后，紅外線測溫傳感器很好的解決了水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)溫度實(shí)時測量。將原有的定期測量改為在線監(jiān)視，將不同負(fù)荷下集電環(huán)溫度實(shí)時反饋，及時準(zhǔn)確的將發(fā)電機(jī)集電環(huán)溫度反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。電廠運(yùn)維人員根據(jù)監(jiān)控接收到的數(shù)據(jù)，能及時準(zhǔn)確的掌握集電環(huán)溫度動態(tài)，進(jìn)而掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。該裝置安裝簡單，可操作性強(qiáng)，可以代替人為測量集電環(huán)溫度。這方便于電廠運(yùn)維人員日常巡檢，為電廠無人值班，少人值守提供幫助。避免集電環(huán)溫度過高導(dǎo)致設(shè)備損壞，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了一種重要保護(hù)屏障。