紅外熱成像技術在發電機碳刷滑環中的應用

沈 琦，劉 剛，季學友，潘明澤

（1.浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江 嘉興 314000；2.杭州中為電子科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

大型發電機的磁場一般都是通過在轉子電樞繞組中通入直流電流產生的，而電流則是通過碳刷滑環引入發電機轉子電樞繞組中的。因此，碳刷滑環是發電機組進行正常發電必不可少的一部分。碳刷滑環運行狀況的好壞直接影響著發電機運營的安全，而目前發電機碳刷滑環還是一個比較薄弱的環節，各大電廠對碳刷滑環的監測一般是通過對勵磁電流、勵磁電壓等參數的檢測來判斷其運行狀況，實際上在事故發生的前期，很長一段時間內，由于勵磁系統的調控、勵磁電參數的數據都正常，所以當數據發生明顯異常情況時，事故已經非常嚴重了。這類由發電機碳刷滑環故障引起的發電機組強迫停機事故，造成的非計劃內停機事故在國內各大電廠內每年都會發生，對發電企業造成重大的經濟損失，對人民的穩定用電需求造成影響。

1 碳刷滑環故障分析

碳刷是以碳為主體的刷子形狀的部件，在發電機碳刷滑環系統起到導流的重要作用，是發電機組中滑動部件與靜止部件直接接觸的重要部位，碳刷通過恒壓彈簧與滑環一直處于緊密貼合的狀態。碳刷發生故障最直觀的表現是溫度發生變化，碳刷與滑環之間是直接接觸并發生滑動摩擦，摩擦本身會產生大量的熱量，若碳刷或者滑環表面有油漬、粉塵等污染，會增加其表面滑動摩擦系數，而摩擦力增加，發熱量也相對增加。碳刷是一個具有逆溫度特性曲線的元件，即外部溫度越高，碳刷的電阻值越小。當發電機碳刷出現卡澀、受力不均、接觸面積小等情況時，會造成每個碳刷所分擔的電流值不同，電流越大，發熱量就越大，碳刷的電阻值就越小，這個特性導致碳刷溫度升高得很快。溫度越高，造成碳刷電阻值越小，使得分擔的電流值就越多，從而形成一個惡性循環，如得不到及時處理，最終可能導致環火、非計劃停機事故[1]。

碳刷滑環在發生事故前期都會伴隨著溫度的變化，單個或者部分碳刷溫度的偏高、偏低都是碳刷出現故障的早期表現。碳刷溫度偏高，可能是由于接觸面清潔度不夠或者恒壓彈簧的壓力過大引起的；碳刷溫度偏低，可能是由于碳刷與滑環的接觸面積過小、恒壓彈簧的壓力過低、碳刷與刷握之間出現卡澀等原因，造成其分擔的勵磁電流過小，而其他碳刷分擔的電流將會加大，在機組高負荷運行時也容易引發事故。因此，對發電機碳刷滑環進行溫度監測在保障機組的安全運行中有著至關重要的作用。

2 現有測溫方案對比

通過對多家發電廠的調查，發現目前大多數電廠對發電機組勵磁碳刷滑環的溫度監測都是通過人工點巡檢的方式。人工點巡檢測溫是按照特定的標準，按時使用點溫槍或者手持紅外熱像儀，對設備的重點區域進行檢查測溫。點巡檢主要是依靠巡檢人員長期累積的經驗來判斷設備的運行狀況，雖然能發現很多故障隱患，但是也存在很多不穩定的客觀因素。例如，兩次巡檢之間的間隔難以具體把控，碳刷從輕微故障到嚴重故障，再到發生環火事故過程往往只有十幾到幾十分鐘，難以及時發現問題[2]；巡檢人員態度是否認真，能否每次巡檢到各個隱蔽角落，能否全面檢查發電機碳刷滑環系統可能存在的隱患；巡檢之后形成的巡檢報告多數由紙質版表格保存，巡檢人員能否詳細記錄巡檢時間、巡檢內容；巡檢人員的不同，可能會導致巡檢報告內容不統一，對同一問題現象的描述五花八門。

在調查中，也發現有部分電廠在發電機碳刷滑環系統中，使用紅外線進行測溫。紅外線測溫采用有線式連接，對目標進行點對點的非接觸式測溫。在碳刷滑環中進行應用，可以對目標點進行24h的在線監測，但是在實際應用中發現紅外線測溫有許多問題無法克服。例如，一個紅外測溫儀只能對應一個測溫點，對于碳刷滑環這種需要大面積監測溫度的系統來說是遠遠不夠的。若想測得每個碳刷的溫度，必須大量安裝紅外測溫傳感器，傳感器的數據傳輸必須靠有線傳輸，這樣布線就會變得非常麻煩；常規的紅外線傳感器有效安裝距離約為15cm～30cm，隨著紅外熱像儀與測溫點之間距離越遠，測得溫度的精度越差。由于發電機組碳刷滑環的特殊性，無法在原有設備上進行安裝紅外測溫傳感器，只能根據現場實際情況定制安裝支架進行安裝，額外增加了碳刷滑環安全運行的風險，而且紅外線傳感器數據通常使用4mA～20mA模擬量進行有線傳輸，相對的數據傳輸距離較短[3]，溫度監測顯示裝置只能放在現場，出現報警信息時，巡檢人員只有到達現場才能發現問題，大大延誤了報警響應時間；紅外線測溫顯示的數據屬于實時的溫度數據，數據一般保存在裝置處理器的內存中，但內存空間小，儲存數據源有限，無法長時間保存，也無法為后期檢修維護提供可靠的依據。

3 紅外熱成像技術的應用

3.1 基本原理

在自然界中，一切高于絕對零度（-273℃）的物體都會輻射出電磁波，這種電磁波被稱為熱紅外線。而這種熱紅外線處于肉眼不可見的光波頻段，但是幾乎自然界中的所有物體卻都在時時刻刻不間斷地輻射出熱紅外線。熱紅外成像通常是指3um～5um的中紅外成像和8um～12um的遠紅外成像。人眼對約0.4um～0.7um的波段敏感，看不到較長波長的熱能量。要記錄這些能量，需使用特殊的探測器或傳感器，成像光學系統也必須有效地傳輸這些波長的光。

3.2 優勢

圖1 設備安裝圖Fig.1 Equipment installation diagram

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

隨著紅外熱像技術的突破，人們對紅外熱像儀的應用不斷增多，紅外熱像儀在各個領域的應用也愈來愈廣泛。紅外熱成像技術作為一個新興測溫技術，相比傳統測溫技術而言，有著無可比擬的優勢。例如，紅外熱成像測溫的面積非常廣，傳統測溫主要是針對某一點的測溫，如果想進行大面積測溫，則必須使用多個傳感器進行配合測溫。這樣也不可能兼顧所有點，而紅外熱成像測溫是對鏡頭可覆蓋的區域內所有點進行測溫，能兼顧所有部位；紅外熱成像測溫響應時間極大幅度優于傳統測溫方式，傳統如熱電偶測溫，一般通過熱傳導的形式使得溫度傳感器的溫度發生變化，進而計算出溫度數值，因材料的差異其響應時間一般為秒級，而紅外熱成像測溫直接通過熱輻射電磁波進行測溫，電磁波的傳輸速度是光速的。這樣使紅外熱像儀測溫的響應時間通常是毫秒級別，部分熱像儀響應時間甚至達到微秒級別；在此基礎之上，紅外熱成像測溫抗干擾能力極強，紅外熱成像技術接收物體表面發射的紅外光波，采集熱輻射進行測溫，而自然界中除絕對零度外任何物體都會向外發射紅外輻射能，不受電磁干擾。這個特性使紅外測溫方式具有極強的穿透能力，不會受到環境、空氣中的雜質影響，包括在粉塵環境及一些復雜的工作環境下，紅外熱像儀的成像效果基本不受影響[4]。同時，紅外熱成像儀成像區別于傳統光學成像，不需要借助照明光和環境光，而是采集被測物體輻射，經專業系統軟件處理，自動生成物體圖像。基于這個原理，紅外熱成像系統24h進行全天候工作成像，不受環境、光照等外界因素影響，是工業生產中重要的監測手段。

3.3 在碳刷滑環中的應用

在線式紅外熱成像系統一般是由紅外熱像儀、交換機、硬盤錄像機、計算機等組成。紅外熱像儀安裝在前端，用于采集目標物體的紅外熱圖像數據，采集到的數據經光纖或者網線傳輸到交換機中進行數據交互，硬盤錄像機連接交換機后進行視頻數據的刻錄保存，計算機通過專有軟件對交換機里的數據進行調用后處理分析，并在顯示器上顯示出來。

發電機碳刷滑環一般是處在碳刷室內，碳刷室內部空間較小，碳刷安裝位置與碳刷室墻壁的距離也比較近，在不影響原有設備運行的情況下，利用紅外熱像實現對發電機碳刷滑環的全面覆蓋。這樣對紅外熱像儀的安裝距離、自身體積、鏡頭可視角，安裝角度等有一些硬性的要求。通過在現場的實際測試與后期模擬計算，為實現對碳刷滑環的紅外熱圖像全面覆蓋，最少安裝4套紅外熱像儀，分別安裝在正極的左右兩側與負極的左右兩側，鏡頭的可視角應選擇大于70度的廣角鏡頭，鏡頭與被測區域的中心位置垂直距離不低于30cm。這樣既能保障紅外熱像儀能全面覆蓋所有碳刷，也能保證測溫的可靠性與安全性，同時也能節約一定的生產成本[5]。

運行人員掌握碳刷滑環的運行情況，除了通過紅外熱圖像直觀地了解碳刷滑環的溫度分布情況外，還需要對紅外熱像儀采集到的數據進行智能分析處理。傳統測溫設備一般是通過數值對比，設置溫度閾值報警。在線式紅外熱像系統在閾值報警的基礎之上，增加了溫升速率報警與溫升趨勢報警。溫升速率報警是針對溫度上升過快的事故：例如，溫度在5min之內上升10℃，這時雖然溫度沒有達到設定閾值，但是此時設備的運行狀況明顯異常，如不及時處理很可能造成環火事故；溫升趨勢報警是針對溫度緩慢上升的故障進行超前預警：例如，溫度閾值設置120℃，當前溫度110℃，溫度在過去1h之內上升了15℃，按當前上升趨勢在1h之后溫度將達到125℃，會超出閾值報警值，此時發出溫升趨勢預警能盡早通知運行人員提前排除故障，減少損失。

在線式紅外熱成像系統在運行過程中能檢測到大量的溫度數據，系統根據碳刷編號、系統時間等信息對溫度數據進行整理歸檔，形成有效的數據庫文件。系統通過溫度數據庫生成月度總結報表、年度總結報表等，幫助運行人員掌握當月、當年碳刷滑環的整體運行情況。同時，系統可采集機組運行的勵磁電流數據，再結合溫度數據建立數學模型，通過對碳刷溫度數據與勵磁電流數據的對比分析，可以得出在既定勵磁電流下碳刷的理想工作溫度范圍，從而通過溫度偏差確定碳刷的工作狀態及工作環境[6]。

4 結束語

紅外熱成像測溫技術具有響應速度快、測溫精準、測溫距離遠，不受光線粉塵影響等優勢，適合在重要工業廠景應用。在線式的紅外熱成像系統，通過溫度閾值報警、溫升速率報警、溫升趨勢報警等多重報警規則，對已發生事故提前報警，以減少事故帶來的損失；通過大數據的對比分析，輔助運行人員判斷設備的運行狀況，以減少事故的發生。因此，在線式的紅外熱成像系統能有效地對發電機碳刷滑環實施在線監測。