水輪發電機集電環及碳刷熱成像在線監測系統研究

梁英，萬慶，曹光偉，李偉偉，閆文峰，胡明，田征前，王志寶

（貴州烏江水電開發有限責任公司沙沱發電廠，貴州 銅仁 554300）

1 立項背景

2013 年6 月26 日，電廠2#發電機在運行中，集電環及碳刷因溫度過高發生故障停機，其余機組也頻發碳刷溫度偏高和打火現象。為保證機組安全運行，電廠增派人員加密開展巡查及溫度測量，但加密巡查和溫度測量不但耗工、耗時，還不能保證對設備運行狀況的實時監控制和預警，存在嚴重的人員和設備安全隱患。為避免此類事件再次發生，電廠研究、應用紅外線熱成像在線監測系統，系統實現對運行集電環和碳刷進行實時監測和預警，發現集電環和碳刷運行溫度異常問題，以便及時處理，消除設備隱患，同時也減少了人力資源的投入。

2 水輪發電機集電環、碳刷溫度紅外熱成像在線監測主要做法與功能效果

通過討論，班組協同廠家制定了發電機集電環、碳刷溫度紅外熱成像在線監測裝置方案。需要考慮以下幾個問題：

2.1 熱成像在線監測安裝存在問題

經分析，目前設備存在問題有：首先，電纜走向的問題，因為在發電機上風洞上方，為安全且美觀地走線，根據勵磁電纜的走線方式進布線。其次，傳輸距離較遠，設備的可靠性是否滿足要求，從而對設備的要求較高。再次，設備處于發電機上風洞位置，要求固定必須可靠，這對施工工藝需特殊要求。最后，設備安裝位置環境溫度較高，進一步考驗設備是否能在高溫環境情況下安全穩定地運行。同時，受碳刷、集電環材質問題，環境通風情況、環境溫度影響。

圖1 紅熱熱成像安裝前現場情況

2.2 熱成像系統安裝

（1）設備前端：發電機集電環、碳刷均勻分布在一個圓周上（直徑2.2 米），采用4 個熱成像攝像頭進行在線測試集電環、碳刷溫度，并通過光纖將數據傳輸至監控系統。

圖2 熱成像現場布置

圖3 熱成像測量范圍設置

（2）后臺服務器：建立后臺服務器，搭建軟件平臺，實時監測、顯示集電環、碳刷運行情況，同時，實現統計、報警等功能。

圖4

2.3 功能效果

（1）分區監控和自動報警功能。分4 個扇區對發電機碳刷和集電環溫度進行實時監視，能自動追蹤、顯示溫度最高點，能準確測量出集電環、碳刷運行溫度情況。任一碳刷最高溫度超標，則發出報警信息，系統自動記錄下扇區編號和碳刷編號，維護人員根據信息記錄，即可快速確定發熱點位置。

圖5 報警溫度設置

（2）一鍵切換功能和分析功能。當常規監視發現機組異常時，系統可以實現自動巡檢模式一鍵切換現場分析模式功能，也可以基于報警信息的快速定位切換到報警位置點和自動回復到自動監視狀態。系統可以對熱像圖進行區域分析、點分析和線分析，實時顯示所選區域最高、最低和平均溫度。

圖6 最高、最低、平均溫度設置追蹤

（3）報表功能和自我診斷功能。系統可以根據時間區間選擇數值生成報告，并可以導出word/Excel 格式；系統具有自我診斷功能以及供斷電自動保存與恢復功能。

圖7 自我診斷功能以及供斷電自動保存與恢復功能設置

2.4 熱成像系統在線監測效果情況跟蹤

（1）調試中將紅外熱成像溫度與實測溫度進行對比，校驗其溫度的正確無誤，從而確保設備的安全運行。

（2）日常巡視過程中，實地測試集電環、碳刷溫度并記錄，與集電環、碳刷溫度紅外熱成像在線監測做比較，運行溫度正常無差異。

（3）利用檢修和轉動部分檢查時機，針對更換碳刷和集電環繼續檢查，核實此問題是否依然存在，是否已經完全解決，確保設備運行安全穩定。

3 熱成像在線監測系統創新亮點

通過查新，未見針對碳刷運行溫度實時監視的文獻報道。沙沱發電廠對碳刷采用的熱成像在線監測技術屬于首創，實現在線監測功能、自動報警功能、遠程準確定位功能，將熱成像系統化。

表1

4 熱成像在線監測系統實施應用前后效益

4.1 實施前

（1）2013 年6 月26 日，巡視時未及時發現問題，造成電廠2#發電機在運行中，集電環及碳刷因溫度過高發生故障停機，事故處理花了近7 天時間。

（2）需安排專業人員每兩個小時對運行碳刷、集電環開展巡視檢查和溫度測量工作，每天至少4 人，且不能保證發現異常及時性。

（3）運行碳刷、集電環在發電機轉動部分上方，位置特殊，且屬于大流量裸露、高速轉動部件，手動測量存在較大人員和設備安全風險。

4.2 實施后

（1）通過系統實時監測和預警功能，多次及時發現集電環、碳刷溫度異常升高和打火情況，避免事故發生。

據統計，2014 年5 月12 日～2014 年10 月15 日，通過紅外熱成像在線監測，電廠及時發現集電環、碳刷溫度異常升高和打火情況103 次，其中1#機45 次，2#機19 次，3#機17 次，4#機22 次，為打磨處理贏取最佳時間。

2014 年5 月22 日，進入汛期各臺發電機勵磁電流比以往有所增加，碳刷溫度有所升高，3，4 號機，負極前5 個碳刷均有斷續打火現象。2 號機負極80%以上碳刷有斷續打火現象。人工測量溫度數據如表1。

同時利用在線監測系統發現4#機負極的3 號和2 號，5月23 號觀察到3 號碳刷尾部最高上升至180 度。5 月25 號3#機的2，3，4 號碳刷尾部溫度分別升至190 ～220 度，升溫很快，高溫持續時間短的1 分鐘，長的有5 分鐘。

（2）消除巡視、測量的安全隱患，節約人力資源。在系統安裝前，電廠人員每兩個小時要使用紅外溫度監測儀器在發電機轉動部分上方對大電流的集電環、碳刷進行檢查和溫度測量。相關檢查和測量存在較大的人員和設備安全隱患，同時也花費大量人力。系統應用后解決上述安全隱患，每日節約4 人次的人力資源。

5 推廣價值和范圍

水輪發電機作為水電廠的核心設備，主要由定子、轉子組成，而集電環、碳刷屬于轉子回路中的重要部件，為提高設備的安全可靠運行，對大中型水輪發電機集電環及碳刷熱成像在線監測系統的研究，既能減少電廠人力資源的投入，又能實時掌握集電環、碳刷溫度運行情況。因此，該系統研究對水電站實時觀測、準確定位集電環、碳刷運行情況等有借鑒意義，值得推廣。

6 創造的經濟價值

（1）因事故造成的生產損失M1：

預估1 臺設備發生事故后檢修工期為7 天，每臺設備正常工作情況下每天20h 滿負荷運行，每度電售價0.35 元，因設備發生一次故障所造成的損失為m1：m1=28（萬度/小時·臺）×20（小時/天）×0.35（元/度）×7（天/年）=1372（萬元/年·臺）；

假設無巡檢人員配置情況下，設備的平均年事故率α1為0.2（約5 年發生一次故障），則因事故造成的生產損失M1=m1*α1=274.4（萬元/年·臺）；

假設有專人巡檢情況下，設備的平均年事故率α1’為0.05（約20 年發生一次故障），則因事故造成的生產損失M1’=m1×α1’=68.6（萬元/年·臺）。

（2）因事故造成的維修成本M2：

每臺機碳刷112 套，每套1000 元，每臺機集電環價值5萬元，則因事故造成的維修成本M2=0.1（萬元/套）×112（套/年·臺）+5（萬元/年·臺）=16.2（萬元/年·臺）;

（3）專職巡檢人力成本M3：

人力資源工資投入1（人/臺），專職巡檢人員用工成本8（萬元/年·人）

M3=1（人/臺）×8（萬元/年·人）=8（萬元/年·臺）；

（4）項目的年經濟價值M

原廠無巡檢人員配置：M=M1+M2=290.6（萬元/年·臺）；

原廠有專職巡檢人員配置：M=M1’+M2+M3=92.8（萬元/年·臺）。

即當電廠按4 臺設備共計4 人配置專職巡檢人員情況下，假設年事故發生率為0.05（也即每臺設備發生故障的周期不晚于20 年），則本項目的投入對單臺設備造成的年經濟價值為92.8 萬元；當電廠未配置專職巡檢人員情況下，年事故發生率將明顯上升，預估上升到0.2（也即每臺設備發生故障的周期不晚于5 年），則本項目的投入對單臺設備造成的年經濟價值為290.6 萬元。計算投資回報率時，建議參考年經濟價值計算。成本應均攤到每臺設備，同時加入系統的后期使用成本，包括維護成本、設備折舊換新成本等。