發(fā)電機勵磁碳刷運行故障檢測方法

劉 剛，趙健龍

(1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

0 引言

發(fā)電機勵磁碳刷由石墨組成，在電機運行過程中起到滑動接觸件的作用，但由于其材料主要為碳，往往容易磨損，而碳刷的損壞是引起勵磁系統(tǒng)故障的重要成因，因此對發(fā)電機勵磁碳刷的故障檢測是非常必要的，進而提出本課題的研究。

國外機械研究機構(gòu)對發(fā)電機碳刷檢測進行研究，文獻[1]根據(jù)碳刷運行過程設計自適應故障判斷模塊，利用微機電系統(tǒng)(MEMS，microelectro mechanical systems)技術對發(fā)電機輸出結(jié)果進行分析，通過剪切應力傳輸模型(SST，shear stress transfer)檢測算法判斷碳刷的具體信息，達到碳刷故障的自適應判斷功能。但這種方式判斷結(jié)果較為寬泛，精確度不高；國內(nèi)機械研究部門對碳刷材料進行研究，其中文獻[2]設計一種STC故障檢測單片機，利用紅外熱成像技術得到發(fā)電機內(nèi)部碳刷余量，并通過多普勒信號分離算法確定碳刷運行是否正常，并給出相應檢測參數(shù)。但這種方法設計成本較高，需要精密的儀器才能實現(xiàn)。而文獻[3]設計多回路故障檢測模型對勵磁碳刷進行回路檢測，通過多小波和峭度準則判斷碳刷實際運行狀態(tài)，利用頻譜法對碳刷移位故障進行調(diào)節(jié)，完成碳刷的及時復位。但這種方法對磨損較嚴重的碳刷處理較差，無法滿足現(xiàn)階段電機故障檢測的需求。

針對上述研究的發(fā)電機勵磁碳刷故障檢測技術存在的問題，該研究設計一種故障檢測系統(tǒng)，對碳刷運行過程進行系統(tǒng)化管控[4]。主要創(chuàng)新點在于：

1)建立組件對象模型(COM，component object model)動態(tài)檢測方案，對發(fā)電機內(nèi)部碳刷運行進行建模，掌握碳刷整體概況。

2)利用BF5R(digital sensing device optical sensor)檢測電路對碳刷運行條件和輸出參數(shù)進行檢測，使故障判斷更為精確化。

3)通過改進維格納威爾分布(WVD，wigner ville distribution)故障定位算法對檢測數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果精準定位碳刷故障位置，為后期更換提高數(shù)據(jù)支撐。

1 COM動態(tài)檢測方案

對于發(fā)電機碳刷故障的檢測，本研究通過設計組件對象模型(COM)完成碳刷檢測的建模，使電機碳刷故障檢測具有動態(tài)功能，檢測結(jié)果更為準確，在此基礎上將其實際故障檢測運行同步到模型中，從而得到碳刷檢測結(jié)果，然后根據(jù)模型輸出結(jié)果確定碳刷狀態(tài)，經(jīng)過故障分析和維保機制從而完成碳刷故障的檢測[5]。COM動態(tài)檢測方案如圖1所示。

圖1 COM動態(tài)檢測圖

COM動態(tài)檢測方案通過數(shù)據(jù)服務器、監(jiān)控計算機進行發(fā)電機碳刷基本信息的查詢和記錄，對碳刷可能存在存在的故障事件進行歸納，數(shù)據(jù)服務器主要收錄電機碳刷參數(shù)和運行數(shù)據(jù)狀態(tài)，并對收錄信息進行歸納，為后續(xù)相似故障的維修方案提供參考；監(jiān)控計算機監(jiān)控維修人員的具體操作步驟，對電機碳刷正常運行到發(fā)生故障，維修過程和恢復正常整個流程進行監(jiān)控，使碳刷運行過程處于完全監(jiān)控狀態(tài)。通過WLAN橋完成電機設備與工作臺之間的數(shù)據(jù)傳達。模型裝置主要建造設備有發(fā)電機外殼、勵磁系統(tǒng)、動作線路、固定器和碳刷，發(fā)電器外殼負責整個電機器件的總裝[6]；勵磁系統(tǒng)作為電機的主要運行結(jié)構(gòu)，是碳刷作用的主要部位；動作線路主要完成電機各設備的協(xié)調(diào)，將發(fā)電結(jié)果輸送至外場；固定器起到穩(wěn)固碳刷的作用，使碳刷在運作過程中減小磨損。整個動態(tài)模型的建立根據(jù)服務器查詢數(shù)據(jù)進行各類設備的框架設計，動態(tài)模型中各設備數(shù)據(jù)通過RS232通信傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)中，最終由檢測系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)，并通過算法編程確定故障位置，為后續(xù)碳刷的更換和維修提供參考[7]。

整個模型的建立依賴于COM技術，通過對電機組件一對一的設計，將實際運行中的設備結(jié)構(gòu)分解，能夠?qū)﹄姍C內(nèi)部設備的運行進行針對性檢測，完成碳刷的整體運行過程的監(jiān)控，更加全面地了解電機中各結(jié)構(gòu)之間的影響，并通過減小這些影響的方式控制碳刷的損壞程度[8]。

2 BF5R檢測電路

檢測系統(tǒng)運行過程中，傳輸線路的選型具有重要作用，通過分析碳刷運行條件和參數(shù)進行選型，碳刷運行條件主要分析電機受力狀態(tài)和連接設備的穩(wěn)定程度進行判斷，碳刷參數(shù)主要由專用測試表進行判斷。經(jīng)過分析判斷本文選用BF5R檢測電路，在此結(jié)構(gòu)的基礎上設計90°直角探頭檢測方式[9]，此檢測方式能夠?qū)崿F(xiàn)碳刷的完全檢測，通過碳刷的旋轉(zhuǎn)定時檢測，檢測方式更為先進，數(shù)據(jù)統(tǒng)計更為精確，在線路外圍包裹光纖保護套，保證檢測過程的順利進行，通過IP65聲光報警器等元件設置安全裝置，BF5R檢測電路如圖2所示。

圖2 BF5R檢測電路設計

BF5R檢測電路應用在電機碳刷中，電機電壓需控制在AC220V，碳刷初始尺寸控制在160 mm×27 mm×22mm，最大磨損面積為10 mm2，對碳刷材料進行定期更換[10]。經(jīng)過比較和篩選后，采用BF5R光纖傳感器作為檢測線路的核心裝置，具有光檢測，實現(xiàn)非接觸式檢測，并且不易損壞，在使用過程中采用雙顯示型光纖傳感器放大器，每秒兩萬次的超高速檢測和1/10 000高分辨率的光纖放大器，光纖本身具有的特性為超高速模式(50 μs)，高速模式(150 μs)，標準模式(500 μs)，長距離模式(4 ms)，能將測量信號最大距離傳輸，滿足檢測線路的各項要求。線路檢測過程主要利用輸出光纖將碳刷模型檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的兩側(cè)，傳輸光纖一般為10 m，以M4直角探頭采集的碳刷磨損度為檢測指標，設置A、B、C三相探頭應用在三條BF5R線路中，BF5R線路采用自動功率控制(APC，auto power control)回路架設方式，回路電線不受元件壽命或溫度變化的影響，可實現(xiàn)穩(wěn)定持久使用。碳刷運行正常時BF5R探頭穿過碳刷內(nèi)的小孔，將傳感器檢測數(shù)據(jù)正常輸送，傳感器采用多種靈敏度設置模式，實現(xiàn)自動調(diào)整的目的，1點為最大靈敏度，2點為最小靈敏度，能夠更加碳刷位置設置相應靈敏度；當碳刷存在故障時，探頭滑觸線出現(xiàn)偏移，當偏移程度過大時，碳刷小孔被遮擋，檢測光映射到擋板上，BF5R線路檢測異常，發(fā)出故障信號，并記錄故障時間，完成碳刷運行的故障數(shù)據(jù)傳輸，碳刷故障信號通過RS485專用通信模塊，輕松實現(xiàn)通信傳輸過程，通信模塊最大可連接32個故障檢測點，為定位故障提供有效數(shù)據(jù)[10]。

BF5R檢測線路的設計運行電壓為AC220 V，通過連接發(fā)電機Q22上樁頭提供電壓供給，并經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換，分別應用于報警信號和光纖結(jié)構(gòu)。通過設計M4直角探頭和光纖傳感的方式提高檢測質(zhì)量，對數(shù)據(jù)的傳輸和碳刷參數(shù)的記錄具有重要作用[11]。

3 改進WVD故障定位算法

維格納維拉分布(WVD，wigner viller distribution)定位算法主要運算方式為時域和頻域上的一種定位，通過雙線性規(guī)律完成故障的尋址和測算，具有時頻分布的特性。該研究通過融合經(jīng)驗模態(tài)分解算法中的函數(shù)處理方式，對碳刷故障參數(shù)進行分化，從而減輕計算壓力，保證碳刷材料在故障處理后達到最佳分辨率，滿足發(fā)電機平穩(wěn)運行的需要[12]。

針對碳刷故障數(shù)據(jù)，通過建立碳刷檢測模型進行碳刷狀態(tài)的判斷，然后通過模態(tài)分解算法進行參數(shù)分化，將電機中復雜設備數(shù)據(jù)狀態(tài)分化為可利用的數(shù)據(jù)狀態(tài)，即按設備型號進行分化，從中提取碳刷參數(shù)，通過分析碳刷參數(shù)變化得到檢測結(jié)果，在故障檢測周期內(nèi)的碳刷檢測函數(shù)可以表示為：

(1)

式中，x(t)表示模態(tài)算法分化碳刷檢測結(jié)果，fimfi(t)表示碳刷模型數(shù)據(jù)函數(shù)，rn(t)表示數(shù)據(jù)檢測過程中的不可控變量，t表示碳刷模型檢測周期。

在具體計算時，WVD定位算法能夠?qū)r域和頻域上的數(shù)據(jù)信息分離出來，從不同的角度提煉數(shù)據(jù)信息。在輸入數(shù)據(jù)信息為混和數(shù)據(jù)信息的情況下，無須了解信號混合系數(shù)，可以通過盲源分離法提取各獨立分量信號，給出盲源分離結(jié)果不確定的解決方法。并建立了包含自項與交叉項的時頻分布矩陣，利用時頻分布矩陣的聯(lián)合對角化算法消除獨立分量信號之間的交叉干擾項。

為保證碳刷故障檢測的準確性，需要對發(fā)電機使用時長進行檢測，對同一臺發(fā)電機，通過分析碳刷使用時長確定檢測周期[13]，發(fā)電機使用時長計算公式為：

(2)

式中，Δt表示發(fā)電機使用時長，x表示碳刷運行參數(shù)，v表示碳刷磨損速度，l表示正常碳刷周長。

根據(jù)模態(tài)算法分化的碳刷模型數(shù)據(jù)，對其參數(shù)進行逐一餞別，餞別方式采用BF5R檢測電路，由檢測回路和各類傳感器完成大數(shù)據(jù)的餞別，從餞別結(jié)果中找到可能碳刷運行故障原因，然后進行WVD定位，為后續(xù)碳刷的維護提供參考，WVD定位過程表示為：

(3)

式中，Wx表示W(wǎng)VD故障定位函數(shù)，Ω表示碳刷模型數(shù)據(jù)對于周期變化的碳刷磨損量量，τ表示故障定位時間常數(shù)，x*表示MVD定位周期內(nèi)碳刷變化量，e表示故障定位常數(shù)。

WVD定位算法提供了碳刷故障位置，但無法對碳刷故障原因和變化規(guī)律進行說明，因此需要對式(3)進行積分變換，確定碳刷發(fā)生故障的原因和規(guī)律，稱作碳刷磨損量，對WVD算法中碳刷故障定位周期變化引起的碳刷磨損量進行積分變換[14]，可得：

(4)

通過式(4)的積分變化可以看出碳刷磨損量受到定位周期的影響，即存在時域的變化，通過時域上的變化分析，碳刷故障位置發(fā)生在頻率軸上，因此對碳刷頻率軸進行分析，確定是否存在碳刷磨損，通過頻率軸確定碳刷故障位置，在此基礎上完成碳刷故障的數(shù)據(jù)分析，即存在：

(5)

改進的WVD算法在原有算法的基礎上匯總了碳刷模型參數(shù)變化，通過對比模型數(shù)據(jù)和實際碳刷磨損量，提高了故障定位的精準度[15]，同時增加了研究的信服力，使碳刷在電機中的故障定位更加準確，對維修人員的后續(xù)處理具有重要幫助。

4 故障檢測系統(tǒng)

通過建立故障檢測系統(tǒng)對COM動態(tài)檢測技術、BF5R線路規(guī)劃和改進WVD算法進行統(tǒng)合，建立故障檢測系統(tǒng)，通過微機控制的方式使各項技術分工更為明確，并建立指令傳達控制室，能夠更加碳刷故障進行相應指令的確定，使碳刷故障檢測過程更為順利，而系統(tǒng)化的檢測過程能夠提高碳刷故障檢測效率，將不同檢測結(jié)構(gòu)模塊化，改善了傳統(tǒng)故障檢測方案運行混雜、檢測方案不清晰的問題[16]。該研究建立的勵磁碳刷故障檢測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 故障檢測系統(tǒng)

碳刷故障檢測系統(tǒng)通過微機控制，利用計算機算法處理發(fā)電機碳刷運行狀態(tài)信息，并對碳刷故障數(shù)據(jù)進行整理分析，通過微機控制中心完成多個檢測技術的調(diào)度配合[17]。通過電量記錄發(fā)電機輸出數(shù)據(jù)，對其外在顯示電流、電壓進行記錄，與初始電機發(fā)電參數(shù)形成對比數(shù)據(jù)，分析出在此期間內(nèi)輸出電量的變化，以此推算碳刷是否發(fā)生故障，并進行統(tǒng)計記錄。根據(jù)分析的碳刷數(shù)據(jù)存庫設計COM動態(tài)檢測方案，并建立相應服務器，通過模型狀態(tài)顯示碳刷狀態(tài)，同時對電機整體數(shù)據(jù)和各部分連接設備的數(shù)據(jù)狀態(tài)進行記錄，COM模型數(shù)據(jù)和碳刷數(shù)據(jù)存庫通過傳真信息和郵件的方式進行發(fā)送和接收，重要信號采用5G無線的信號進行傳輸[18]。在故障檢測系統(tǒng)中，由電機總線負責COM模型和碳刷實際檢測的數(shù)據(jù)聯(lián)系，碳刷實際檢測過程主要由BF5R檢測電路和改進WVD算法完成，BF5R檢測電路通過故障電路分析、抑制電路和碳刷光纖完成碳刷狀態(tài)的收集；改進WVD算法主要進行碳刷模型數(shù)據(jù)的分化和碳刷故障定位[19-20]。而維修站主要根據(jù)實際檢測過程和改進WVD算法進行碳刷的維護和更換，首先作好故障記錄，然后根據(jù)記錄建立維修方案，最后進行選材和現(xiàn)場維修，通過移動端進行實時數(shù)據(jù)更新。

整個碳刷故障檢測系統(tǒng)對發(fā)電機輸出瞬間電量數(shù)據(jù)進行記錄和對比，精確把握碳刷運行狀態(tài)。通過微網(wǎng)控制中心傳達操作指令，完成碳刷檢測技術的協(xié)調(diào)配合，提高發(fā)電機碳刷檢測的效率，最大限度的節(jié)省后期維修的時間，保證電機維護和碳刷更換工作的順利運行[21-22]。

5 試驗結(jié)果與分析

該研究針對發(fā)電機勵磁碳刷運行故障檢測進行研究，實驗發(fā)電機采用4B3.9型號柴油發(fā)電機，電機壽命為最大值，電機中各類設備完美的環(huán)境下進行實驗，碳刷材料為電化石墨，并設計各種碳刷故障狀態(tài)，通過組建COM碳刷模型確定電機中碳刷位置[23]，設計BF5R檢測電路完成碳刷故障的檢測實驗，通過改進WVD算法精確定位碳刷故障位置，并對碳刷磨損量和碳刷調(diào)節(jié)幅度進行控制，最后記錄實驗結(jié)果，將實驗數(shù)據(jù)整理成圖表形式進行分析[24]。實驗過程在Intel i9 9600KF計算機，3.10 GHz的CPU和64+128 GB內(nèi)存的雙核PC機上運行，計算機系統(tǒng)采用WIN 10系統(tǒng)[25]，設備性能為頂配計算機，處理數(shù)據(jù)較快?，F(xiàn)場實驗環(huán)境設置，實驗采集信號為數(shù)據(jù)光纖采集模式，具有采集速度快，采集精度高的特點，信號傳輸方式為5G無線信號，同時架設有線傳輸方式，保證傳輸信號的穩(wěn)定，傳輸速率>4.5 MB/s。在此環(huán)境下進行實驗，參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

本設計試驗對發(fā)電機中碳刷故障原因檢測和故障定位進行研究，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，對15 KW4B3.9型號柴油發(fā)電機中碳刷故障進行實驗，根據(jù)Proteus仿真軟件對實際工作過程進行仿真演示，檢測系統(tǒng)運行仿真過程如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)運行仿真圖

根據(jù)圖4仿真結(jié)果對比各設計方案具體效果，將仿真實驗數(shù)據(jù)整體制表，定位時間通過實驗人員進行記錄生成，信號幅值由脈沖濾波器顯示得到，精確度根據(jù)碳刷故障實際參數(shù)和實驗參數(shù)對比計算可得，記錄碳刷狀態(tài)變化規(guī)律，進而驗證本研究的有效性，將實驗結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表，最終顯示碳刷故障檢測實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 碳刷故障檢測實驗數(shù)據(jù)表

通過表2數(shù)據(jù)分析，本設計對發(fā)電機勵磁碳刷故障檢測具有明顯效果，在15 kW發(fā)電機環(huán)境中，碳刷故障定位時間為3.5 min，信號幅值為13 V，結(jié)果精確度為96.4%；文獻[1]采用的MEMS檢測技術碳刷故障定位時間為6.4 min，信號幅值為18 V，結(jié)果精確度為90.8%；文獻[2]設計的STC檢測單片機碳刷故障定位時間為8.6 min，信號幅值為24 V，結(jié)果精確度為85.8%。由此看出本研究對勵磁碳刷的檢測效果具有較高可行性。

利用仿真軟件顯示3種不同方案檢測系統(tǒng)的幅值，其幅值變化較大，將幅值變化導入濾波器中，利用脈沖濾波器對比3種技術的信號檢測波形，其波形反應了3種方案的故障檢測性能，通過對比方式分析各系統(tǒng)性能，3種系統(tǒng)信號檢測波形變化曲線如圖5～7所示。

圖5 本研究信號檢測波形

圖6 MEMS技術信號檢測波形

圖7 STC單片機信號檢測波形

通過對比發(fā)現(xiàn)，文獻[1]提出的MEMS檢測技術最大幅值電壓為18 V，最小幅值電壓為10 V，平均幅值為14 V，信號檢測過程存在一定的波動性，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足；文獻[2]提出的STC檢測單片機最大幅值電壓為24 V，最小幅值電壓為6 V，平均幅值為15 V，波動范圍較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；本研究檢測波形最大幅值電壓為13 V，最小幅值電壓為6 V，平均幅值為9.5 V，通過對比發(fā)現(xiàn)本研究碳刷檢測系統(tǒng)脈沖波形變化幅度較慢，則仿真結(jié)果幅值電壓最低，證實本研究檢測系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

通過對比各設計方案的檢測結(jié)果精確度，進一步完成實驗，根據(jù)Proteus軟件實現(xiàn)碳刷故障檢測系統(tǒng)的仿真，得到系統(tǒng)檢測結(jié)果精確度曲線對比如圖8所示。

圖8 檢測結(jié)果精確度曲線

通過對比發(fā)現(xiàn)3種方案檢測結(jié)果精確度與發(fā)電機輸出電能存在一定關系，本研究精確度最高為97.9%，最低為94.9%，平均為96.4%；文獻[1]設計的MEMS檢測技術精確度最高為92.4%，最低為89.2%，平均為90.8%；文獻[2]設計的STC檢測單片機精確度最高為87.9%，最低為83.7%，平均為85.8%。

綜上所述，本設計方案對碳刷結(jié)構(gòu)的故障定位時間、檢測精確度和系統(tǒng)穩(wěn)定性具有明顯效果，根據(jù)實驗表明本研究定位時間最短，結(jié)果準確度最高，系統(tǒng)運行最為穩(wěn)定，體現(xiàn)出本設計發(fā)電機碳刷結(jié)構(gòu)故障檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性。

6 結(jié)束語

該研究對發(fā)電機碳刷結(jié)構(gòu)的故障檢測和定位進行研究，通過組建碳刷模型和檢測線路完成方案設計，主要技術研究如下：

1)建立COM模型將發(fā)電機內(nèi)部碳刷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)到屏幕上，檢測狀態(tài)更為明顯，使工作人員更為容易地找到故障原因，避免誤判和漏判問題。

2)利用BF5R檢測電路完成電機內(nèi)部碳刷結(jié)構(gòu)與微機模型的對接，將碳刷初始參數(shù)與后期模型參數(shù)形成對比數(shù)據(jù)，從而找到故障點。

3)通過改進WVD算法分化碳刷模型數(shù)據(jù)，將復雜的運行參數(shù)分化開來，使故障定位更具條理性，進而精確定位碳刷故障位置。

通過對本設計發(fā)電機勵磁碳刷故障檢測系統(tǒng)進行測試，將實驗結(jié)果匯總為碳刷故障檢測實驗測試表，發(fā)現(xiàn)本研究定位時間最短，結(jié)果準確度最高，系統(tǒng)運行最為穩(wěn)定，通過仿真對比分析，表明本設計方案具有明顯優(yōu)勢。但是本研究在實驗過程中仍存在問題，碳刷更換效率較慢，故障報警需要停機檢修，從而導致電能浪費等問題仍待解決。