碳刷溫度與勵磁電參數綜合分析系統

陳朝曄，朱戀戀，季學友，潘明澤

（1.浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325602；2.杭州中為電子科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

2019年11 月份，本公司在廠內6號機組集電環小室內安裝了一套發電機碳刷紅外熱成像智慧分析系統，該系統利用紅外熱成像技術，將發電機每個碳刷及集電環的溫度都以圖像的形式清晰直觀地展示出來，系統將每個碳刷都做為一個獨立的測溫對象，通過對實時溫度、溫升趨勢、歷史溫度曲線等數據的統計與分析，初步判斷發電機碳刷及集電環的工作狀態，并通過不同規則的預警、報警措施進一步保障發電機組的安全運行[1]。

公司通過實際測試以及對舟山電廠、樂清電廠、嘉興電廠、臺州電廠等火力發電廠的相關電氣技術專工的交流討論發現，如果只單單監測發電機碳刷的溫度并不足以說明發電機組的運行狀況，發電機組在不同負荷下運行碳刷發生故障時的溫度并不相同（例如，在發電機組載滿負荷運行時碳刷正常工作溫度可達110℃，但在20%負荷下運行時碳刷溫度如果上升60℃就代表碳刷可能出現故障）。發電機組集電環-碳刷系統的運行狀況，必須通過碳刷的實時溫度與勵磁電流、勵磁電壓以及發電機發電功率等電參數，結合綜合分析來判斷。針對電廠的實際情況，本公司在原有的發電機碳刷紅外熱成像智慧分析系統的基礎上，增加電參數數據采集模塊以及相對應的分析系統模塊。

1 碳刷溫度與電參數數據采集

1.1 發電機碳刷紅外熱成像智慧分析系統

發電機碳刷紅外熱成像智慧分析系統，利用紅外熱成像技術采集發電機碳刷及集電環各部位的溫度，并將其溫度分布情況以熱圖像展現出來，并在本地計算機中建立數據庫儲存溫度數據、熱圖像、視頻等[6]；利用系統軟件中的點、線、多邊形等測溫控件對每個碳刷實施重點部位的重點監控，通過歷史溫度曲線、溫升趨勢將發電機勵磁系統歷史及實時的工作狀態展示出來，配合溫度閾值報警、溫升速率報警、溫升趨勢預警等手段，進一步保障發電機勵磁系統的安全運行；同時利用互聯網云技術，在集團內部服務器中建立“云端大數據庫”將本地的溫度數據、熱圖像、視頻等同步到“云端”，實現集團內部的數據共享，同時擴大了數據庫的基數，讓得到的數據更為可靠、可信。

1.2 勵磁電參數采集模塊

勵磁電參數采集模塊主要是采集勵磁總電流、勵磁電壓、有功功率、無功功率以及每個碳刷所分擔的勵磁電流。結合電廠的實際情況，勵磁總電流、勵磁電壓、有功功率、無功功率的檢測模塊，電廠之前已經安裝。檢測到的數據已送入DCS系統，電參數采集模塊只需要主動去調取數據就行，而單個碳刷所分擔的勵磁電流電廠原先是由巡檢人員巡檢時用手持的鉗形表測量，沒有可調用數據的實時檢測設備，需要重新設計并安裝一套單個碳刷勵磁電流檢測的設備。

1.3 勵磁電流檢測裝置

電流檢測一般采用霍爾傳感器，霍爾傳感器分為閉環、開環無磁、開環有磁霍爾傳感器。閉環霍爾傳感器測量精度高但體積大、成本高，碳刷周邊的空間狹小，一個刷握上有4～6個碳刷，空間狹小不適合使用閉環霍爾傳感器；開環無磁霍爾傳感器精度低，誤差高達16%左右；開環有磁霍爾傳感器精度誤差1%左右[2]，可以滿足實際需求，且體積小、成本低。所以，碳刷的勵磁電流本公司采用開環有磁霍爾傳感器進行測量。

勵磁系統中碳刷的數量少則60多個，多則上百個，勵磁電流測量數據如果采用有線傳輸，布線將會非常麻煩，而且會對現場的通風等環境造成不利影響[3]。本公司綜合分析對比幾種傳輸技術，最終選擇利用2.4G無線傳輸技術將勵磁電流數據傳輸出來，其抗干擾性能好、抗多徑衰落能力強、對環境噪聲的要求低、通信質量好、保密安全性高度可靠而且功耗較低；無線信號接收器安裝在集電環小室內接收并解析電流數據，再通過通信電纜以RS485通訊的方式傳輸給勵磁電參數采集模塊。

勵磁電流檢測裝置的供電電源采用感應取電與鋰電池供電相結合的雙電源供電，保障裝置的長期可靠運行。感應取電即通過感應線圈收集流經碳刷刷辮的電流所產生的電磁能量并將其轉換成電能[4]，為傳感器提供工作電源，并通過智能儲能技術將多余的電能儲存在鋰電池內，通過智能調頻技術根據感應到的電能以及剩余電能合理安排數據的傳輸頻率，確保傳感器的連續工作。實測中，當碳刷刷辮通過的勵磁電流大于0.5A時（鋰電池無電），傳感器即可啟動工作，數據4min傳輸一次；當碳刷刷辮通過的勵磁電流大于3A時（鋰電池滿電），傳感器數據傳輸速率可達1s一次；當碳刷刷辮通過的勵磁電流小于0.5A時，單獨使用鋰電池供電，傳感器可繼續工作1個月。

2 碳刷溫度與勵磁電參數綜合分析系統

碳刷溫度與勵磁電參數綜合分析系統是根據電廠的實際需求，在原有的發電機碳刷紅外熱成像智慧分析系統中，增加勵磁電參數采集模塊以及綜合分析模塊，輔助運行人員掌握發電機勵磁系統的實時運行情況。如圖1所示，系統首先由電參數采集模塊與紅外熱像儀采集勵磁系統的電參數及碳刷溫度數據，采集到的數據通過以太網傳輸到計算機中，由系統軟件進行分析處理并保存在數據庫中，碳刷的溫度以紅外熱圖像的方式顯示如圖2所示，勵磁電參數以實時窗口及電流分布曲線的形式顯示如圖3所示。最后，分析模塊再利用數據庫對碳刷溫度數據、單碳刷勵磁電流、碳刷使用情況、勵磁系統工作狀態等情況進行綜合分析，保障發電機組的安全運行。

溫度數據分析即是對碳刷的溫升速率及溫升趨勢的綜合分析，機組運行過程中碳刷的溫度會受多種因素影響而發生變化，分析系統基于數據庫內的溫度數據綜合分析出碳刷溫度合理的變化范圍，再利用溫升速率報警及溫升趨勢預警來輔助運行人員判斷碳刷的實時運行情況。

碳刷電流分析即是對單個碳刷所分擔的勵磁電流情況進行分析，碳刷由于其生產材質、批次、工藝、磨損度等因素的不同，使得各個碳刷的電阻值也存在著差異，每個碳刷所分擔的電流值也不同。碳刷的“負溫度特性”是指碳刷溫度越高其阻值越小，分擔的勵磁電流越大產生的熱量越多，容易形成一個惡性循環，分析系統摒棄了傳統的電流數據以統計表格的形式展示[5]，而采用電流分布曲線的方式展示，對比圖3、表1可以發現分布曲線能更清楚地顯示出勵磁電流的分布情況，也能更為直觀地展示出勵磁電流異常的碳刷數量及位置。同時，分析系統再通過對電流數據的統計與分析計算，確定一個合理的電流差值（同一時間最大電流與最小電流的差值）及電流占比值（單個碳刷勵磁電流占總電流的比值）波動區間，并設置報警信號輔助運行人員判斷碳刷的實時運行情況。

圖1 系統圖Fig.1 System diagram

圖2 紅外熱成像圖Fig.2 Infrared thermal imaging diagram

圖3 勵磁電流分布圖Fig.3 Distribution diagram of excitation current

碳刷使用情況、勵磁系統工作狀態等情況的分析是建立在大數據的基礎之上，通過縱橫向對比分析碳刷溫度及電流，利用溫度及電流數據來判斷碳刷的使用情況及勵磁系統的工作狀態。利用同一位置碳刷更換碳刷前后所分擔電流數值及占比值，以及使用1、2、3個月后碳刷所分擔電流數值及占比值，再結合碳刷的溫度數據判斷勵磁系統工作狀態以及碳刷是否需要更換檢查；利用碳刷的溫度及電流數據綜合對比分析得出勵磁電流通過碳刷時碳刷的合理溫度，再通過溫度來判斷勵磁系統的通風、散熱等情況。

3 總結

表1 勵磁電流統計表Table 1 Excitation current statistics table

碳刷溫度與勵磁電參數綜合分析系統，通過紅外熱圖像、歷史溫度曲線、勵磁電流分布曲線將碳刷溫度、溫升趨勢、勵磁電流分布等情況顯示出來，運行人員能非常直觀地掌握勵磁系統的工作情況，并快速找到故障碳刷的位置與數量。系統利用互聯網云技術實現本地數據庫與集團數據庫數據共享，提高數據的可靠性，再通過對碳刷的溫度數據、電流數據的縱橫向綜合對比分析，判斷發電機組勵磁系統的工作狀態，保障機組的安全運行。