發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

國能神福（石獅）發(fā)電有限公司 熊靜源

1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用背景

目前大部分發(fā)電企業(yè)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷和集電環(huán)監(jiān)測(cè)的手段主要是通過運(yùn)維人員定期目視巡檢、對(duì)碳刷提刷檢查、手持紅外測(cè)溫儀或熱成像儀測(cè)溫等各種人工檢查的方法，這些人工檢查的方法工作效率低且風(fēng)險(xiǎn)高。對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷、集電環(huán)、刷架等勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵部位開展實(shí)時(shí)在線可視化監(jiān)測(cè)就能較好地避免此類問題，降低檢修人員日常的工作量，并且提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，提高工作效率[1]。因有必要研究一套發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的在線可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并應(yīng)用在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷和集電環(huán)系統(tǒng)的日常運(yùn)行監(jiān)視與維護(hù)中去，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷故障形成的早期及時(shí)捕捉故障并給運(yùn)維人員提供預(yù)警，運(yùn)維人員根據(jù)預(yù)計(jì)信號(hào)診斷故障類型及性質(zhì)，及時(shí)消除勵(lì)磁碳刷的潛伏性缺陷，確保發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷紅外成像溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能彌補(bǔ)目前停電預(yù)防性試驗(yàn)不能連續(xù)監(jiān)測(cè)、評(píng)估發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷在運(yùn)行中過熱和高溫的缺點(diǎn)，能初步定位早期故障的位置和類型、預(yù)判和防止重大的突發(fā)絕緣事故。對(duì)每一個(gè)勵(lì)磁碳刷進(jìn)行加裝電流傳感器，在勵(lì)磁室加裝紅外成像攝像頭，對(duì)每個(gè)碳刷進(jìn)行非接觸式溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁碳刷的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程顯示。對(duì)異常碳刷點(diǎn)提前預(yù)警和提示檢修人員更換。系統(tǒng)通過連續(xù)運(yùn)行和智能學(xué)習(xí)，判斷每個(gè)碳刷預(yù)期壽命。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)碳刷每個(gè)故障點(diǎn)進(jìn)行智能學(xué)習(xí)分析，制定碳刷更換機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)存在隱患以便檢修及時(shí)排查和提前定制針對(duì)性的檢修計(jì)劃。對(duì)發(fā)電機(jī)檢修和維護(hù)具有一定參考借鑒意義，不僅節(jié)約檢修的費(fèi)用，還可以針對(duì)性處理轉(zhuǎn)子存在的缺陷，可大幅度提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，避免機(jī)組非停造成的經(jīng)濟(jì)損失。國能神福(石獅)發(fā)電有限公司目前采用人工定期用鉗形表對(duì)每臺(tái)機(jī)144個(gè)勵(lì)磁碳刷逐個(gè)檢測(cè)方式開展發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷分布電流檢測(cè)，存在較大的勵(lì)磁系統(tǒng)接地風(fēng)險(xiǎn)和人員作業(yè)觸電的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷的分布電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)能夠有效解決這兩個(gè)問題。

此外，該系統(tǒng)具有的創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩方面[2]。

一是在不改變勵(lì)磁刷握結(jié)構(gòu)下，采用一體化電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刷握上的每個(gè)碳刷電流，相比單個(gè)霍爾元件，安全可靠穩(wěn)定，測(cè)量精準(zhǔn)度高。監(jiān)測(cè)裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁每個(gè)碳刷電流，當(dāng)電流不均衡時(shí)，對(duì)異常勵(lì)磁碳刷電流顯示警示狀態(tài)，供運(yùn)行管理者和維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參考處置，并將實(shí)時(shí)采集的每塊碳刷的電流信息，傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置與監(jiān)控中心，在監(jiān)測(cè)服務(wù)器上處理顯示，同時(shí)能將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給DCS。

二是采用雙目紅外成像溫度監(jiān)測(cè)，能區(qū)分高中低溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)錄取高溫段曲線，顯示過熱溫度點(diǎn)，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警。發(fā)電機(jī)碳刷溫度監(jiān)測(cè)裝置由紅外熱像單元、現(xiàn)場(chǎng)采集裝置和后臺(tái)組成，采集裝置采集溫度信號(hào)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至通訊管理器，裝置具備RS485或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，可將信號(hào)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置及監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，便于管理者和維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參考處置。

3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的主要組成

系統(tǒng)主要由4部分組成[3]。

第一部分:1臺(tái)主站，安裝于碳刷隔音罩內(nèi)，功能是收集所有從站上傳的碳刷電流信息進(jìn)行處理運(yùn)算，是整個(gè)系統(tǒng)的管理控制中樞。

第二部分:從站，包括若干碳刷電流傳感器，用于采集本刷握碳刷電流并將電流信息上傳至主站，設(shè)置數(shù)量與刷握的數(shù)量一致。

第三部分: 雙目紅外熱像處理單元，通過先進(jìn)的雙目紅外熱成像單元采集碳刷位置的可見光畫面和紅外熱成像畫面，進(jìn)一步通過紅外熱成像機(jī)芯，處理采集到的信息。正確的反映出碳刷的現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況和紅外成像熱成像情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，第一時(shí)間進(jìn)行處理。

第四部分:后臺(tái)軟件分析系統(tǒng)，其作為本系統(tǒng)的人機(jī)界面，通過計(jì)算機(jī)電纜與主站內(nèi)主機(jī)建立連接，主站將收集到的所有從站的碳刷電流信息以及收集雙目紅外熱成像發(fā)出的成像信號(hào)，聚集在一起通過光纖傳輸?shù)胶蠖说墓饫w匯總機(jī)，傳送至后臺(tái)專家診斷分析系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)整體框架及工作原理

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過采集每塊碳刷的電流信息并傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置與監(jiān)控中心進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流以及溫度熱像分配變化信息的報(bào)警提示，供運(yùn)行管理者和維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參考處置，避免相關(guān)事故的發(fā)生，保證設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，提高工作效率。系統(tǒng)的整體框架如下面圖1所示，主要由若干電流傳感器、若干溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、微控制器/MCU、報(bào)警繼電器、人機(jī)界面HIM 屏等部分組成。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷的電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷的電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架

紅外熱成像單元實(shí)物如圖2所示，分區(qū)測(cè)量溫度，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的勵(lì)磁碳刷數(shù)量較大，且受現(xiàn)場(chǎng)空間及環(huán)境限制，設(shè)備安裝及調(diào)試的可操作空間較狹窄，故現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)裝置必須滿足體積袖珍、測(cè)量精度高的條件；一旦溫度測(cè)量裝置損壞或發(fā)生故障，必須保證在發(fā)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行該測(cè)量裝置的檢修或更換；還必須最大程度降低投資成本；基于此三點(diǎn)，選擇紅外熱像單元進(jìn)行溫度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)溫度分區(qū)控制，當(dāng)過熱點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸至主站[4]。

圖2 紅外熱成像單元實(shí)物

霍爾傳感器位置如圖3所示，安裝有霍爾傳感器，獲取實(shí)時(shí)的碳刷電流狀態(tài)，并上傳至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)報(bào)警提供依據(jù)。

圖3 霍爾傳感器位置

3.3 系統(tǒng)測(cè)試要點(diǎn)

為精確掌握發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流狀態(tài)及熱成像情況，合理選擇碳刷數(shù)量，優(yōu)化通信連接線結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全可靠工作，提前發(fā)現(xiàn)并解決汽輪發(fā)電機(jī)碳刷及滑環(huán)故障造成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)嚴(yán)重事故，需要從以下4方面重點(diǎn)把控。

一是制定發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流和集電環(huán)溫度紅外熱成像報(bào)警點(diǎn)選擇。

二是建立碳刷電流以及集電環(huán)溫度在線檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至DCS 集中監(jiān)控。

三是利用碳刷電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷碳刷磨損情況及利用集電環(huán)的紅外熱成像判斷系統(tǒng)過熱點(diǎn)。

四是通過電流溫度數(shù)據(jù)的采集分析碳刷集電環(huán)設(shè)備狀況并在危險(xiǎn)運(yùn)行工作下自動(dòng)報(bào)警，提前預(yù)知故障[5]。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷紅外成像溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在發(fā)電機(jī)不停機(jī)狀態(tài)下，預(yù)測(cè)其勵(lì)磁碳刷在運(yùn)行中過熱和高溫的缺點(diǎn)，快速確定故障的位置和類型、預(yù)判和防止重大的突發(fā)絕緣事故，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)。

一是汽輪發(fā)電機(jī)碳刷數(shù)目一般較多，且相鄰之間排列緊密，留給器件安裝的可用空間小。為此，測(cè)量碳刷電流的器件必須滿足物理尺寸小、安裝方便、通信線路數(shù)目少等特點(diǎn)?；谏鲜鲈颍鞠到y(tǒng)選擇碳刷電流溫度成像總線方案，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、便捷化的目的。

二是由于系統(tǒng)工作環(huán)境存在大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)等干擾，為使得系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)能夠正常工作而不出現(xiàn)故障，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)的情況，需要從器件選擇和信號(hào)調(diào)制方式選擇兩方面著手解決。對(duì)于獲取碳刷電流狀態(tài)的器件選擇，通過理論分析，結(jié)果均表明器件可以正常工作。對(duì)于信號(hào)調(diào)制方式選擇，通過與常用的采用直流載波技術(shù)的HBS 對(duì)比，最終選擇采用APM 方式的碳刷電流溫度總線，能夠較好滿足系統(tǒng)的要求。

三是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用專用芯片組成碳刷電流紅外成像總線，通過詳細(xì)設(shè)計(jì)電流從站和溫度成像從站，可實(shí)現(xiàn)最多對(duì)248路碳刷電流成像狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)溫度的測(cè)量范圍在-30～300℃。

四是通過原理圖進(jìn)行實(shí)物制作，以此為基礎(chǔ)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，并在平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)的各項(xiàng)功能驗(yàn)證。通過對(duì)SPI 接口和RS485接口通信波形的分析，表明系統(tǒng)的功能基本實(shí)現(xiàn)。所得溫度結(jié)果與對(duì)照組誤差均小于0.5℃，碳刷電流狀態(tài)能夠正常獲取，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在不影響發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的工況下，連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷電流溫度狀況，通過碳刷電流和溫度的變化，以評(píng)估其系碳刷表面磨損情況。定期出數(shù)據(jù)分析報(bào)告，做到對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷磨損狀態(tài)的綜合分析，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理，避免因發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷劣化引起的故障，保證發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。