水輪發(fā)電機滑環(huán)裝置在線監(jiān)測硬件系統(tǒng)設(shè)計

陳 鋒，劉鳳君

(1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400；2.九龍中學(xué)，四川 廣安 638500)

滑環(huán)裝置是水輪發(fā)電機組核心設(shè)備之一，出現(xiàn)故障時可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地、轉(zhuǎn)子失磁等重大事故，危及發(fā)電機和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1-2]。隨著機組容量的不斷提高，滑環(huán)裝置故障引起停機事故被視為不可接受風(fēng)險?；h(huán)裝置故障形式很多，其中過熱故障最為頻繁，后果最為嚴(yán)重[3-4]。文獻[5-7]中介紹的紅外測溫探頭非接觸式數(shù)據(jù)采集在線監(jiān)測方案，因碳刷在導(dǎo)電環(huán)上密集布置，相鄰碳刷空間狹窄，一個探頭監(jiān)測多個碳刷溫度，準(zhǔn)確性較低，同時過熱故障是多重故障因素累積作用結(jié)果，單一的溫度監(jiān)測難以客觀全面分析故障原因，應(yīng)用價值有限。本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)方案主要解決了多傳感器有限空間布置、供電電源與安全性矛盾，高溫高磁對采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度影響等技術(shù)難題[5-7]。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

復(fù)雜環(huán)境下的高壓電氣設(shè)備多種監(jiān)測信號采集，運用接觸式傳感器測量、非接觸式無線信號傳輸相結(jié)合是有效途徑[8-9]。圖1所示為滑環(huán)裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，數(shù)據(jù)傳輸采用有線和無線相結(jié)合的傳輸方式。集成式刷握把各種監(jiān)測傳感器、信號傳輸線束，信號預(yù)處理模塊、無線發(fā)射模塊以及電池等部件與刷握進行融合設(shè)計，實現(xiàn)接觸式數(shù)據(jù)采集，增加采集數(shù)據(jù)種類，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。各種監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)傳感器信號線傳輸?shù)叫盘栴A(yù)處理模塊進行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射、無線接收傳輸?shù)骄偷財?shù)據(jù)處理模塊進一步處理。無線接收模塊、就地數(shù)據(jù)處理模塊、觸摸屏集成在一個就地終端盤柜內(nèi)，供巡檢維護人員查詢。集塵罩內(nèi)溫濕度傳感器、滑環(huán)室環(huán)境溫濕度傳感器、集塵管風(fēng)壓傳感器、電機轉(zhuǎn)速傳感器等采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)傳感器信號線直接送入就地處理模塊處理。集成式刷握和就地終端之間無線傳輸距離較近，采用2.4 GH頻段無線傳輸。就地層與廠站層設(shè)備布置距離較遠(yuǎn)，采用光纖傳輸，并遵循IEC61850協(xié)議。

圖1 滑環(huán)裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

滑環(huán)裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)廠站層和就地層涉及的技術(shù)較為成熟，不展開討論。過程層中碳刷和各種傳感器集成設(shè)計，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是系統(tǒng)開發(fā)的難點和創(chuàng)新點。

2 監(jiān)測傳感器選擇

2.1 選型依據(jù)

監(jiān)測數(shù)據(jù)類型越豐富，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性越高，受限于環(huán)境空間和供電能力，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的種類進行取舍十分必要。

以58臺700 MW及以上水輪發(fā)電機近十年故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用故障樹分析法(FTA)建立滑環(huán)裝置過熱故障樹(如圖2所示)，事件描述如表1所示。

圖2 滑環(huán)系統(tǒng)局部過熱故障樹圖

表1 故障樹事件描述表

利用蒙特卡洛仿真方法定性分析滑環(huán)裝置部件概率重要度[10-12]，為傳感器類型選擇提供依據(jù)。仿真參數(shù)設(shè)置：最大工作時間Tmax=15 000 h、隨機數(shù)個數(shù)n=300。當(dāng)仿真次數(shù)達到N=10 000次時，仿真結(jié)果趨于穩(wěn)定。基本部件概率重要度如圖3所示。冷卻介質(zhì)溫度高(X1)、碳刷載流面積不足(X6)、碳刷與刷盒間隙小(X8)、碳刷與刷辮之間碳粉堆積(X9)、集電環(huán)面腐蝕(X14)、碳刷接觸面污染(X15)等底事件對滑環(huán)裝置基本部件概率重要度影響較大，對這些底事件對應(yīng)的物理量進行監(jiān)測，有利于準(zhǔn)確判斷滑環(huán)裝置健康狀態(tài)。

圖3 基本部件概率重要度圖

重要底事件和監(jiān)測傳感器對應(yīng)關(guān)系如下：X1為風(fēng)壓傳感器，X6、X14、X15為碳刷溫度傳感器，X8、X9為磨損量傳感器，X6和X14為電流傳感器。上述五種傳感器布置在集成刷握上，同時對碳粉吸收裝置的風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速以及環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測。

2.2 風(fēng)壓傳感器

受集電環(huán)轉(zhuǎn)動擾流影響，集塵罩腔體內(nèi)外壓差波動較大，不利于直接測量。碳粉收集裝置風(fēng)機的進風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的壓差相對穩(wěn)定，風(fēng)壓傳感器輸出信號相對穩(wěn)定，便于后續(xù)運算?；h(huán)裝置風(fēng)機功率1.5 kW，正常運行時壓差為1～1.5 kPa，風(fēng)道堵塞時最大壓差3.2 kPa。選擇風(fēng)壓傳感器型號HALO-FY-WG，該傳感器工作電源DC 24 V，量程-5～5000 a，輸出信號4～20 mA，測量精度0.2%。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器的類型很多，綜合考慮測量范圍、精度，絕緣性能，安裝難度，電源負(fù)載能力等因素，選擇NTC熱敏電阻作為測溫元件。碳刷正常運行溫度70～90℃，允許運行溫度120℃，溫度超過220℃刷辮斷裂。選擇溫度傳感器型號NTC100K，電阻值100 kΩ，量程-50～300℃，精度±1%，絕緣電阻(500 V DC)100 MΩ。

2.4 磨損量傳感器

滑環(huán)裝置運行過程中，碳刷故障時溫度高、并存在周期性跳動。激光測距因反射面小，測量誤差大。線性電阻測距需要較大的安裝空間，很難實現(xiàn)。由此設(shè)計了一種磁通測距方案，即碳刷尾部埋入高溫磁體，刷盒距尾部1/3處安裝霍爾感應(yīng)線圈，碳刷的不斷磨損，通過線圈的磁通發(fā)生變化，輸出0～3.7 V電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換后輸出磨損量數(shù)據(jù)。磨損量傳感器量程-20～40 mm，精度±2%。

2.5 電流傳感器

傳感器額定電流不小于碳刷額定電流的2倍，短時耐受電流不小于額定電流的4倍，抗電磁干擾能力強，耐熱性能不低于60℃和絕緣強不低于B級。按照上述要求，霍爾電流傳感器型號HCS-BS5，額定電流200 A，最大電流400 A，精度±1%，工作電壓5 V，輸出電壓0.625 V，工作溫度-40～85℃。

3 監(jiān)測回路集成化設(shè)計

3.1 碳刷監(jiān)測傳感器集成設(shè)計

滑環(huán)裝置導(dǎo)電環(huán)內(nèi)徑2.1 m，上下導(dǎo)電環(huán)間距30 cm。單個導(dǎo)電環(huán)上布置有50支碳刷，4個集成風(fēng)管口，14組勵磁電纜，組件布置十分密集。相鄰碳刷最小間距5 cm，從電氣安全角度考慮，傳感器布置不應(yīng)壓縮相鄰碳刷的最小間距。把多種傳感器集成在刷握上，首先需要解決傳感器空間布局難題。

如圖4為改進后的集成刷握結(jié)構(gòu)示意圖。溫度傳感器和磨損量傳感器與碳刷一體成型，傳感器距碳刷尾端20 mm。碳刷局部最高溫度位于接觸面中心區(qū)域靠后3～5 mm處[10]，故障時最高溫度400℃以上，受傳感器量程限制，直接測量十分困難且不經(jīng)濟，利用碳刷熱傳導(dǎo)線性關(guān)系換算經(jīng)濟可行。壓力傳感器嵌入碳刷尾端均壓墊塊內(nèi)，在刷盒支臂后端增加一個L型銅排，銅排與支臂一體成型，用于固定電流傳感器和集線器。刷握的手柄處設(shè)計一個控制倉，布置無線發(fā)射模塊、信號與處理模塊、傳感器電源等部件。

圖4 集成刷握示意圖

通過對傳統(tǒng)刷握的優(yōu)化改進，實現(xiàn)碳刷、刷握和監(jiān)測回路組件的集成布置，解決空間安裝難題。

3.2 碳刷監(jiān)測傳感器回路可靠性設(shè)計

碳刷監(jiān)測傳感器回路可靠性設(shè)計難點在于削弱碳刷過熱故障產(chǎn)生的高溫和線束疲勞老化對傳感器回路絕緣的影響。碳刷過熱故障產(chǎn)生的高溫，直接影響傳感器測量精度、可靠性以及壽命。碳刷插拔時手柄轉(zhuǎn)動會加速信號傳輸線束絕緣老化，導(dǎo)致監(jiān)測回路發(fā)生短路失效。某廠800 MW發(fā)電機進相試驗時，碳刷過熱故障局部最高溫度324℃，因此監(jiān)測傳感器回路設(shè)計時，應(yīng)考慮極限情況下監(jiān)測回路仍能穩(wěn)定可靠運行，為故障診斷分析提供數(shù)據(jù)支撐。

埋入碳刷的溫度傳感器和磨損量傳感器與碳刷溫度相同，選型應(yīng)耐高溫。電流傳感器、集線器與L型銅排之間應(yīng)設(shè)置絕熱絕緣層。碳刷傳感器信號線匯入集線器，經(jīng)信號小滑環(huán)匯入控制倉?；h(huán)裝置運行過程中，傳感器信號線會隨碳刷一起蠕動，恒壓彈簧容易刮傷信號線，同時恒壓彈簧和刷辮溫度較高，容易損傷信號線絕緣，導(dǎo)致信號線之間發(fā)生短路，因此刷辮和傳感器信號線用低煙無鹵阻燃型雙孔套管進行保護。信號小滑環(huán)轉(zhuǎn)動部分固定在手柄上，靜止部分不會隨刷握手柄轉(zhuǎn)動。碳刷插拔時轉(zhuǎn)動手柄，信號小滑環(huán)處的線束保持相對靜止，避免線束纏繞和疲勞老化。

4 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度影響因素

4.1 刷盒分流對數(shù)據(jù)精度影響

勵磁電流從刷座流向集電環(huán)時，電流通道有兩條。通道①：刷座→刷辮→碳刷→集電環(huán)；通道②：刷座→支撐桿→刷盒→碳刷→集電環(huán)。銅的電阻率1.72×10-8Ω·m，電化石墨(E468)電阻率為2×10-5Ω·m，兩者相差1 000倍。運行正常時，因碳刷和刷盒之間存在0.1～0.2 mm間隙，接觸電阻比碳刷電阻大得多[11-12]。電流主要經(jīng)過通道①流向集電環(huán)；過熱故障時，碳刷受熱膨脹，電阻增大，碳刷和刷盒間隙變小，在間隙處產(chǎn)生強烈的電弧放電，通道②電流急劇增大，產(chǎn)生的局部高溫足以讓刷握邊緣熔化，碳刷變形。

在滑環(huán)裝置實驗平臺上模擬過熱故障。實驗前將新碳刷加熱至220℃保持2 h，碳刷受熱膨脹發(fā)生不可逆形變，驗證碳刷和刷盒之間的間隙變化對刷盒分流情況影響。刷盒內(nèi)部粘貼耐高溫絕緣紙，驗證電流通道②對過熱故障的影響。試驗條件如表2所示。

表2 碳刷分流實驗條件表

試驗結(jié)果如圖5所示，可以得出如下結(jié)論：

圖5 各種工況下碳刷溫度對比圖

1)碳刷正常時，刷盒是否絕緣對溫升影響較小。通道②電流占總電流的5%，刷盒是否絕緣影響較小。

2)碳刷故障膨脹卡澀時，刷盒是否絕緣對溫升影響很大。刷盒有絕緣時，通道②電流為0，碳刷溫度明顯上升，但與正常狀態(tài)相比偏差不大；刷盒無絕緣時，通道②電流占總電流的30%以上，可見持續(xù)電弧放電，碳刷溫度急劇升高。

刷盒進行絕緣處理，阻斷通道②電流，對限制碳刷故障溫升十分有效，同時可以減小傳感器電流測量系統(tǒng)誤差。

4.2 碳刷彈跳對數(shù)據(jù)精度影響

一般認(rèn)為勵磁整流功率柜輸出穩(wěn)定直流電流，流經(jīng)滑環(huán)裝置碳刷的電流也應(yīng)該是穩(wěn)定直流電流。實際上滑環(huán)裝置運行過程中，受集電環(huán)偏心旋轉(zhuǎn)，環(huán)面存在凸點，恒壓彈簧壓力不足等因素影響，碳刷會出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，流過單支碳刷的電流并不是穩(wěn)定的直流電流，更接近周期性寬幅脈沖電流。以集電環(huán)面存在凸點為例，滑環(huán)裝置參數(shù)如表3所示。

表3 滑環(huán)裝置參數(shù)表

如圖6、圖7所示為集電環(huán)面存在凸點引起碳刷彈跳時電流波形圖。集電環(huán)周期500 ms，碳刷彈跳周期100 ms。集電環(huán)面沒有凸點，所有碳刷與集電環(huán)良好接觸，每支碳刷電流80 A；如存在一個凸點，有10支碳刷與集電環(huán)脫離接觸，接觸良好碳刷電流100 A；如存在兩個對稱的凸點，接觸良好的碳刷電流133 A，滑環(huán)裝置碳刷會出現(xiàn)家族性嚴(yán)重過熱故障。通過各個碳刷的瞬時電流，可以判斷集電環(huán)面凸點數(shù)量以及嚴(yán)重程度，為檢修維護提供依據(jù)。

圖6 環(huán)面無凸點和一個凸點電流波形圖

圖7 環(huán)面無凸點和兩個凸點電流波形圖

在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號預(yù)處理模塊應(yīng)具備無效數(shù)據(jù)過濾功能?？刹捎脙煞N方案：

方案一：數(shù)據(jù)過濾均值法。對單支碳刷一個測量周期(500 ms)內(nèi)獲取的M組數(shù)據(jù)，應(yīng)剔除與加權(quán)平均值偏差大于10%(該值可根據(jù)精度需求調(diào)整)的N組數(shù)據(jù)，剩余的P組數(shù)據(jù)加權(quán)平均值作為碳刷的瞬時電流，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

方案二：檢周期抽幀測量法。圖6、圖7所示為碳刷彈跳時理想波形，實際波形中，在波形的上升沿和下降沿會出現(xiàn)電流尖峰。對單支碳刷一個測量周期(500 ms)內(nèi)進行密集數(shù)據(jù)采集，確定碳刷彈跳周期。實驗中數(shù)據(jù)采集間隔2 ms，獲取的電流值構(gòu)成波形周期。通過檢周期時鐘和瞬時電流時鐘同步，瞬時電流采集時刻選擇兩個尖峰的中間時刻作為采集起始時間，采集間隔為檢周期確定的電流周期。

兩種方案各有優(yōu)劣，方案一算法簡單，數(shù)據(jù)精度高，但數(shù)據(jù)采集傳感器和前端預(yù)處理模塊工作量大，電源供電負(fù)荷較重，電池更換頻繁。方案二碳刷彈跳周期和頻率在一段時間內(nèi)是固定不變的，檢周期抽幀測量可以定期進行，數(shù)據(jù)采集時間間隔可以設(shè)置較長，電池供電更為持久，更具有實用性。從實際運用考慮，方案二更為成熟。

5 結(jié) 語

滑環(huán)裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)的后臺實現(xiàn)與其他監(jiān)測系統(tǒng)相差不大，難點在于傳感器的選型，傳感器與刷握的集成設(shè)計，以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度處理。采用無線和有線相結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計是與其他類似系統(tǒng)最大的區(qū)別，避免有線設(shè)計帶來的安全風(fēng)險。故障樹仿真輔助傳感器種類選擇，傳感器和刷握集成設(shè)計，充分利用刷握布置空間。電流的檢周期抽幀測量方法，提高了采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。