TN8000在機組碳刷溫度異常診斷分析中的應用

董 德，閆 攀

(中國長江電力股份有限公司三峽電廠運行部，湖北 宜昌 443133)

TN8000機組振動擺度監測分析系統由振動擺度傳感器、智能數據采集箱和分析軟件組成，該系統可以通過以太網絡與水電廠機組狀態監測和故障診斷系統實現集成。振動擺度傳感器過來的信號通過多芯屏蔽電纜連接到TN8000系統的振動擺度輸入接線端，再通過專用的9芯電纜傳送到振動和擺度采集模塊，由采集模塊進行預處理和采集，并轉換成數字信號，再通過總線傳送到系統板，然后進行大量的在線信號處理和加工，得到反映機組運行狀態的各種特征參數和部分原始數據。智能數據采集箱一方面根據狀態參數進行故障預警和報警，另一方面將數據通過網絡平臺傳給狀態數據服務器，供網絡客戶對機組狀態做監測分析和診斷[1-2]。

1 TN8000數據采集與分析

TN8000數據采集箱(見圖1)對機組的振動、擺度以及相關的過程量參數進行實時、并行、整周期采樣，并進行相應的處理、計算和特征提取，在數據采集站液晶顯示器以及網絡所聯的有關工作終端上以結構示意圖、棒圖、數據表格、導軸承狀態、機架振動、實時趨勢等形式實時動態顯示所監測的數據和狀態。

TN8000水輪機組振動擺度監測分析系統測量模塊主要有機架振動模塊、擺度模塊和鍵相模塊，其各監測傳感器測點布置如圖2所示。機架振動模塊和擺度模塊包括信號預處理單元、低通跟蹤抗混頻濾波器及單片機系統，數據采集方式采用同起點整周期采樣，在任意轉速下系統的采樣頻率均為工頻的256倍頻，最高分析頻率可達128倍轉頻。穩定運行工況下連續采集16個周期，頻率分辨率為1/16倍轉頻，可保證低頻渦帶頻率的準確采集[3]。在過渡過程時可實現長時間的數據連續采集，實現海量數據存儲，最長時間可達10 min，可確保過渡性過程和異常運行狀態下機組振動和擺度信號的準確采集和分析。

圖1 TN8000數據采集箱

數據表格分快變量表格和慢變量表格。快變量表格顯示各振動、擺度、壓力脈動等快變信號的通道名稱、單位、峰峰值、一倍頻幅值、一倍頻相位、平均工作位置、通道狀態、一級報警值和二級報警值(見圖3)。

圖3 機組快變量監測數據及報警界面

圖3中峰峰值為平均峰峰值；一倍頻幅值、一倍頻相位是通過FFT計算得到的參數，可用于動平衡計算，一倍頻幅值即為轉頻峰峰值，一倍頻相位指轉頻下振動最大點與鍵相片之間的夾角；平均工作位置指傳感器輸出信號的平均值，針對擺度傳感器而言，指傳感器到軸表面的平均距離，對壓力變送器而言，即指該測點位置的壓力值；通道狀態分通道正常、一級報警、二級報警和通道失效，分別以綠色、黃色、紅色和灰色表示。慢變量表格顯示各工況參數的通道名稱及實時值，已便于了解機組當前的運行工況[4-5]。

2 TN8000系統用于滑環/碳刷溫度較高的分析

按照水電廠設備風險管控的相應規定，對機組振擺、三部軸承溫度及油位、電氣一次設備溫度等進行專題分析。同時利用TN8000系統等工具進行趨勢分析及數據統計來創新工作方法，發現問題，作為生產管理與創新的重要內容，充分利用該手段為安全生產服務，為區域設備管理提供了精確分析和論證依據，提高了設備管理的科學水平[6]。我們將TN8000系統用于滑環與碳刷溫度相對較高分析，得出出機組滑環與碳刷溫度相對較高的原因如下：

1)碳刷與滑環機械摩擦，產生這一部分熱量和滑環外徑、碳刷和滑環之間的摩擦系數有關系?；h的外徑越大，線速度越大，碳刷在集電環上造成的損失和產生的能量就越多。

2)碳刷與滑環之間電流平衡的破壞產生的熱量，如機組振動過大導致平衡電流被破壞。一般正常情況下，碳刷與滑環接觸面的接觸緊力較大，即接觸壓降小，所有的碳刷工況接近，每條碳刷的電流大小接近，整體平均溫度較低，碳刷間電流相對穩定平衡。當運行工況下降，振動擺度幅度加劇，和滑環產生偏離，平衡電流破壞，導致局部發熱加劇。

3)滑環/碳刷溫度還與機組運行水頭有關。如表1所示：(以XFB為示例)表中，XFB在低水頭下(76.95 m)運行，其運行振動加劇，三部軸承擺度及上機架水平振動最高達到47 um，滑環與碳刷溫度為103.6/115.9：隨著水頭的上升，運行工況改善振動下降，其滑環與碳刷溫度明顯下降趨勢，如在水頭103.8 m，其振動明顯改善，上機架水平振動為26 um，其溫度也有一定程度降低為95.9/100。機組振動及滑環/碳刷溫度與水頭的關系見圖4。

表1 XFB機組數據分析表

注：對比其他同類型的VGS機組，XFB振動偏大，同樣相比其他同類型機組其滑環/碳刷溫度相對較高。

4)機組本身所帶的無功對發電機滑環溫度也有很大的影響。發電機所帶無功越多勵磁電流就越大，從而產生的熱量也就越多。在同樣的散熱條件及其他條件相同情況下滑環的溫度會必然的升高[7](見表2)，機組振動及滑環/碳刷溫度與發電機無功的關系見圖5。

5)所受周圍環境的影響，主要是通過熱輻射形式進行的熱交換。該情況受周圍環境的制約，如通風不良，缺少散熱通道等均會導致溫度的升高。例如：XXF運行過程中下滑環溫度明顯偏高(最高值達180℃)，目前現拆下XXF機頭罩璧兩側通風口無功調低至50 MVAR后，溫度降至130℃運行。

表2 XFB機組數據分析表

圖4 機組振動及滑環/碳刷溫度與水頭的關系

圖5 機組振動及滑環/碳刷溫度與發電機無功的關系

3 滑環/碳刷溫度過高的危害

滑環/碳刷溫度過高的主要危害是：機組長時間運行便會造成碳刷發熱或者溫度持續升高，溫度過高的碳刷容易發生脆化，這樣會使碳刷和滑環之間電阻加大，甚至產生電弧現象，最終造成碳刷的損壞。完好的碳刷承受的電流不斷增加，受損的碳刷產生的電弧也在加大，這樣就會使碳刷與滑環之間發生環火，甚至產生弧光，使下滑環表面灼傷，刷辮熔斷。強烈弧光、碳粉、油污、燒損的熔渣及金屬顆粒還造成上下滑環、上滑環與下環刷握之間發生間歇性放電，致使下集電環、刷架部分燒損，上環底部及邊沿被弧光灼傷。不間斷的電弧產生高強的溫度使下面集電環燒熔，造成下集電環接地，發電機轉子一點接地保護動作。

4 結 語

本文中針對機組在大負荷長周期工況情況下，利用TN8000等系統工具進行趨勢分析及數據統計，著重分析個別機組由于機組振動導致的滑環碳刷溫度過高等局部過熱問題，針對該情況，電廠工作人員可以將個別發熱嚴重的碳刷取下更換，使整個滑環碳刷溫度降低。亦可投入強迫補氣裝置，降低機組的振動工況。在系統電壓能夠滿足要求，同時也能滿足機組穩定運行的情況下，可通過適當降低機組無功來實現降低集電環的溫度。同時也對設備運行狀況進行了評估，證明該分析方法的可行性和有效性，取得了較好效果。實踐證明該方法具有可行性和實用性，拓展了電廠機組對于相關問題的分析方法，具有廣闊的應用前景。