水電站集電環紅外測溫裝置改造與實施

占 鵬

（云南聯合電力開發有限公司，云南 昆明 650000）

1 集電環測溫裝置改造的必要性

水輪發電機的滑環和碳刷是其轉子動靜接觸和能量傳遞的設備，同時也是發電機勵磁回路的重要組成部分[1]?；h室通風不良，集電環與碳刷接觸電阻過大或分布不均會導致集電環過熱[2]。對滑環及碳刷溫度的監測對保證發電機機組的安全溫度運行至關重要。

某水電站無人值班改造前，水輪發電機集電環未安裝任何監測裝置，集電環溫度通常由現場運行人員每月兩次通過手持式紅外測溫裝置進行定期測量，不能對碳刷與集電環表面溫度情況的實時監視。該水電站水輪發電機為懸式混流式機組，機組裝機容量小，集電環安裝在發電機層滑環室內?；h室空間極其狹小且滑環室上級架千斤頂安裝參與事故停機邏輯判定的振擺傳感器，運維人員現地手動測量較辛苦且存在一定風險，而且對設備的運行狀態無法實時監測，對發電機安全穩定運行帶來隱患。

2 實施方案

為便于電廠運維人員實時掌握集電環運行工況，并實現溫度高報警，溫度過高跳閘的功能，計劃在每臺機組的滑環室安裝兩個紅外測溫傳感器對集電環上、下環進行測溫，通過電纜將信號轉接到機組測溫儀表柜專用數顯變送器，并通過數顯變送器將變送的模擬量、開關量信號送至下位機LCU。開關量信號通過下位機LCU PLC 內邏輯程序判斷，啟動機械事故停機流程；模擬量信號送至監控上位機，方便于運行值班人員通過現地巡視、工業電視或監控上位機實時監視集電環溫度及時發現異常并進行應急處置。

2.1 設備選型

（1）測溫傳感器選型

發電機集電環位于電站滑環室內，機組開機后，由于集電環隨發電機轉子一同轉動，故測量集電環溫度不可需要采用熱電阻、熱電偶這類接觸式傳感器。非接觸式測溫傳感器與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。非接觸式儀表可用于測量運動物體或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度。紅外測溫傳感器是基于紅外輻射原理,在不接觸測溫對象的情況的下，通過測量測溫對象發射的紅外輻射強度計算物體表面溫度，研制開發用于高壓電力設備溫度在線監測的非接觸式傳感器，其適用于集電環測溫[3]。

此改造項目測溫傳感器采用的是廣州紋徠儀器儀表有限公司的IRTP-500L 紅外溫度傳感器，其技術參數如下：

表1 IRTP-500L 紅外溫度傳感器技術參數

（2）數顯表計選型

為滿足對集電環溫度的顯示且實時輸出報警、跳機信號，在機組測溫儀表柜上新增集電環上、下環測溫儀表。表計選用廣州紋徠儀器儀表有限公司的QQT/C-HRTA1B1VON 數顯表，其可與各類模擬量輸出的傳感器、變送器配合，完成溫度的測量、變換、顯示和控制。同時能輸出4～20 mA 模擬量信號和開出兩對常開接點，送至下位機LCU 顯示告警和觸發事故停機邏輯判斷，其設備參數如下：

表2 QQT/C-HRTA1B1VON 數顯表技術參數

2.2 支架設計及安裝位置確定

按照圖1 的規格尺寸制作集電環測溫裝置支架，上、下環測溫傳感器分別安裝在集電環室支架上。傳感器與集電環之間的距離300 mm，并安裝至圖2 位置。紅外溫度傳感器至機組測溫儀表柜敷設2 根4×1.5 二次電纜，將新增加的紅外溫度傳感器信號及電源接至機組測溫儀表柜內數顯表。

圖1 滑環室集電環測溫支架尺寸

圖2 測溫傳感器支架安裝處

2.3 監控系統控制邏輯修改

根據“無人值班”相關文件要求，“發電機集電環溫度高動作于報警，溫度過高宜動作于跳閘的要求。”需將“發電機溫度過高信號”加入計算機監控系統事故停機流程。

（1）集電環溫度高啟動事故停機條件邏輯

發電機上、下集電環紅外溫度傳感器將4～20 mA 的模擬量送至機組溫度儀表盤新增的數顯表，輸出兩對無源常開接點并聯后通過連接壓板將新增信號“發電機集電環溫度高報警”送至LCU 2號柜，輸出兩對無源常開接點串聯后將“發電機集電環溫度過高跳機”遙信開入量送至LCU 2 號柜。

“發電機集電環溫度過高跳機”信號，經延時5 s后加入二類機械事故停機判據。

（2）新增跳機軟壓板

為防止信號誤開出導致機組非計劃停運，需增加跳機軟壓板，如圖3 所示。

圖3 集電環溫度過高跳機軟壓板新增程序段

（3）新增事故停機啟動條件

“發電機集電環溫度過高跳機：（邏輯名：BY_283)信號，經5 s后加入二類機械事故停機判據。軟壓板投入后集電環溫度高信號保持5 s，機組開始啟動事故停機流程。

圖4 集電環溫度過高啟動機械事故停機新增程序段

3 方案實施

結合水電站實際情況，以上設計思路能夠完成實時監測發電機集電環上、下環的溫度。具體實施按照以下步驟進行。

按圖1 所示切割、焊接制作滑環室集電環測溫支架，角鋼支架焊至滑環室3 號間隔集電環頂部上機架處，支架安裝點安裝在與集電環直線距離300 mm 處。集電環測溫裝置安裝位置距離滑環較近，務必確保支架焊接牢固可靠，無虛焊、點焊現象。在機組測溫儀表柜前面板根據數顯表尺寸（160 mm×80 mm）開孔，安裝2 塊數顯表，用于顯示集電環上、下環溫度。

將集電環測溫支架固定在集電環室上機架上，紅外測溫傳感器測溫探頭對準集電環上、下環測量點。

在紅外溫度傳感器至機組測溫儀表柜敷設2 根4×1.5 二次電纜，將新增加的紅外溫度傳感器信號及電源接至機組測溫儀表柜內數顯表，紅外線測溫儀接線如圖5 所示。集電環上、下環紅外溫度傳感器將4～20 mA 的模擬量送至數顯表，數顯表變送輸出4～20 mA 的模擬量至LCU B 柜，同時輸出兩對告警信號并聯后送至LCU B 柜，輸出兩對跳機信號串聯后上送至LCU B 柜。紅外溫度傳感器藍色線接數顯表端子2，紅外溫度傳感器棕色線接數顯表端子4。

圖5 集電環紅外測溫數顯表接線圖

（5）在機組測溫儀表柜內新增AC 220 V 2P 空氣開關，命名為集電環測溫裝置電源（編號：3QF），并將集電環上、下環測溫數顯表電源輸入接到儀表柜電源端子。

（6）完成以上部分的相關接線，標識完善，回路做好絕緣檢查，信號核對等工作。

（7）對集電環紅外測溫裝置上電，并設置集電環紅外測溫數顯表溫度高（80 °C),溫度過高（100 °C）。

4 程序驗證

4.1 試驗前準備

（1）完成集電環測溫裝置技改工作后，需通過試驗驗證其功能的正確性，開展試驗前需拔出下位及LCU 主PLC 的DDO 模塊，試驗完成后確認程序內所有強制點取消強制。試驗過程中做好記錄。

（2）試驗前將調試筆記本連接好，以便強制信號點、觀察信號狀態。驗證過程中發現任何異常，立即停止試驗，待問題排除后方可繼續開展相關工作。驗證結束后，按下事故停機復歸按鈕，取消信號強制或短接，恢復試驗前狀態。

4.2 新增跳機軟壓板投退驗證

在上位機新增界面上操作投退軟壓板，觀察上位機事件一覽表是否有多余的報警信號，防止控制地址重復導致信號誤開出。

4.3 發電機集電環溫度過高報警跳機邏輯驗證

相關改造已完成，則在機組測溫儀表盤，設置發電機集電環溫度數顯表跳機定值短接機組LCU 柜內端子X29:27-X29:35，檢查上位機報文“發電機集電環溫度高報警 動作”正確。

在機組測溫儀表，現地設置發電機集電環上、下環溫度數顯表跳機定值。開出“發電機集電環溫度過高跳機”信號。

延時5 s 后，二類機械事故停機流程未啟動。

上位機操作投入“發電機集電環溫度過高跳機軟壓板”，觀察二類機械事故停機流程啟動正常。

按定值單要求，恢復發電機集電環溫度數顯表定值設置,或拆除相關短接線。

通過以上測試，之前設想的各項集電環溫度高報警、集電環溫度過高起動事故停機功能均能實現，機械事故停機信號動作正確，能夠滿足實際的要求。

5 結論

經此次改造后，利用紅外測溫傳感器實現對集電環實現非接觸式的實時測量。將原有的每月定期手動測量改為在線實時檢測，并將水輪發電機在不同工況下集電環溫度實時反饋，及時準確的將發電機集電環溫度上送監控系統，同時經過此次改造滿足公司《非集控水電廠無人值班管理辦法》中“發電機集電環溫度高動作于報警，溫度過高宜動作于機械事故停機?！钡臈l目要求。