發電機勵磁碳刷在EDPF-NTPLUS中的遠程實時監測

韓麗

國家能源集團山東石橫熱電有限公司 山東肥城 271621

在所有的有刷發電機電氣運行規程中，發電機正常運行中的檢查項目里都會包括碳刷無過短、過熱、跳動、卡澀、冒火現象；所采用的檢查方法包括用紅外成像測溫，鉗形電流表測電流，不管是測溫還是測電流都需人員定期手動測量，周期長的每月或每周一測，周期短的每日一測。由于測電流費時費力，不少電廠甚至不測電流，只測溫，而測溫一旦發現超溫，人員容易慌亂，這時已經是碳刷均流度很差，沒有實時電流數據想快速找出分流差的碳刷很難，隨時間推移，造成接觸與滑環發熱的劣化循環，留下了很大的安全隱患。

目前，有的電廠逐步引進發電機勵磁碳刷電流在線裝置，安裝在碳刷就地附近，通過電流傳感器來反應碳刷電流的大小，以此來判斷碳刷運行狀況。運行人員根據電流高限遠傳報警和定期巡檢來發現碳刷異常情況。工作效率低，問題發現不及時。一旦電流高限報警，運行人員容易慌亂。

1 立項背景

1.1 案例

某電廠發電機為東方電機有限責任公司制造的QFQS-200-2型三相交流隱極式同步發電機。某日，有功功率170MW，無功功率56MVar，轉子電壓293V，轉子電流1309A。21時13分，運行人員發現發電機滑環處有弧光和火苗冒出，21時16分49秒、57秒盤前“發電機轉子一點接地”、“發電機轉子兩點接地”光字報警相繼發出，17分45秒將#5汽輪機打閘，手動將發電機解列。

停機后檢查發現，靠近發電機的負極滑環側損壞嚴重，刷盒有4個幾乎全部燒熔，2個碳刷刷辮燒斷，其余4個刷盒內的碳刷不同程度燒熔，2個刷架上固定刷盒的堵板燒損，碳刷架上絕緣板部分碳化，刷架底座上MS尼龍螺栓部分熔化，導電環及刷架支座沿內圓圓弧部分燒熔，集電環表面燒損痕跡明顯，內側絕緣筒碳化嚴重，集電環表面及轉子大軸臺階處有弧光灼傷的麻點。

1.2 發電機勵磁碳刷維護現狀

長期以來因發電機勵磁碳刷維護不當引發的環火事故造成的非計劃停機，給不少發電廠造成較大經濟損失。環火事故發生突然，時間短，難于及時處理，往往造成集電環刷握以及碳刷的燒損，維修費用高、周期長。目前，在發電廠，發電機勵磁碳刷維護現狀如下：

現狀一：隨著機組運行年限的增加，從碳刷分流的相對平衡到嚴重失衡的周期越來越短，不少電廠在發生打火甚至環火事故后，已由之前的每月一測或每周一測改為每日一測，工作量顯著增加。

現狀二：很多電廠碳刷電流分配嚴重不平衡運行比較普遍，之所以未廣泛頻繁發生環火事故，風扇散熱起了關鍵作用；但是只要存在大電流碳刷，發電機碳刷系統就相當于處在一個危險邊緣，應當引起注意。

現狀三：雖然有風扇散熱這一安全保險，但是碳刷均流度差相當于碳刷系統始終工作在危險臨界點附近，一旦均流度再次惡化，即使有散熱風扇做保險也無濟于事，特別是當夏季高峰負荷來臨，環境溫度高，勵磁總電流增大，碳刷均流度差，再加上人員維護不及時，碳刷系統發生環火事故的概率非常大，況且散熱系統本身也可能出問題，這也是為什么每年都有電廠發生環火事故的直接原因。

現狀四：人員定期點檢，更多是當碳刷出現打火，斷辮等明顯異常現象時，才發現問題并報告，一定程度上造成了事態的加重，而且只針對打火、斷辮碳刷做維護并不能從根本上解決碳刷均流度差。

現狀五：碳刷電流手動測量弊端明顯，環境惡劣高溫高燥測量不便，人員距離大軸很近且測量耗時長，也存在對人員及發電機的危險性。

現狀六：很多發電機在出廠時就會存在先天不分或少分電流的碳刷，難以解決，尤其是2000年之后出現多碳刷合一的恒壓刷握，也正是因為這一缺陷，剩余碳刷的電流平衡問題就更值得我們重視。

現狀七：發電機廠家考慮到成本與空間的因素，碳刷冗余度做的不高是一個普遍情況，一旦均流度變差，將很容易出現大電流碳刷。

將人工定期測量改造為系統后臺實時在線監測，可第一時間發現問題碳刷，及時處理碳刷接觸不良、震動等造成的分流不良情況，盡量調整各個碳刷電流基本平衡，避免出現大電流碳刷，消滅環火事故于萌芽中，真正做到預防環火及更大事故的發生。

2 應用設計與實施

利用機組小修時機，通過軟硬件相結合，實現了#6發電機勵磁碳刷在公司EDPF-NTPLUS系統中的遠程實時監測。

2.1 硬件安裝

安裝發電機勵磁碳刷電流在線監測主機一臺，監測主機為壁掛安裝，安裝在發電機車衣內，與所敷設的電流信號電纜、電源線及報警電纜固定在車衣上，便于在發電機檢修時同車衣一體進行拆裝，接線為插頭插接式，方便檢修。

在發電機正負極刷架上各安裝八組碳刷電流傳感器，每個刷握對應一個傳感器組。就地共安裝96個霍爾傳感器（300MW機組），并與碳刷電流裝置主機相連接。主機主界面碳刷編號及位置如圖1所示，其刷握位置編號如圖2所示。每個傳感器可實時采集發電機勵磁碳刷電流信息，即本地實時顯示發電機96個碳刷電流變化，按照預置的報警值，在碳刷電流超過預置報警值時，提供電流超限報警顯示，提醒維護人員檢修。

圖2 刷握編號位置圖

2.2 控制電纜敷設并接線

（1）一路裝置電源，由UPS接入碳刷電流裝置主機，給裝置供電。

（2）一根通訊電纜，由碳刷電流裝置主機接入EDPFNTPLUS系統COM卡第一通道。

（3）一根光字牌報警電纜，由碳刷電流裝置主機接入EDPF-NTPLUS系統相應DI卡件。

2.3 EDPF-NTPLUS系統COM卡件及AI測點組態

2.3.1 新建測點

EDPF-NTPLUS系統中，新建96個AI測點，與96個霍爾傳感器傳輸電流一一對應。模擬量測點的順序為A1（1-6）、A2（1-6）、A3（1-6）、A4（1-6）、A5（1-6）、A6（1-6）、A7（1-6）、A8（1-6）；B1（1-6）、B2（1-6）、B3（1-6）、B4（1-6）、B5（1-6）、B6（1-6）、B7（1-6）、B8（1-6）。

2.3.2 邏輯組態

對EDPF-NTPLUS系統中的相關COM卡進行組態，定義COM卡功能為AI功能，建立虛擬COM-AI卡件1（定義為：1-32通道）、COM-AI卡件2（定義為：33-64通道）、COM-AI卡件3（定義為：65-96通道）。96個傳感器與96個通道一一對應。每個COM-AI卡件中自定義屬性中，數據類型必須設置為0:int16，字節順序類型設置為0:b3b2b1b0，標變系數a設置為1.0，標變系數b設置為0.0。

2.3.3 繪制相關邏輯圖

對A、B兩側各48個測點分別做邏輯求和，顯示實時勵磁電流。

2.3.4 新增1個DI報警點

EDPF-NTPLUS系統中，新建1個DI測點，碳刷電流裝置主機出現電流超限報警時，在EDPF-NTPLUS系統中通過軟光字牌進行報警。

2.3.5 繪制“碳刷電流監測”實時畫面圖

EDPF-NTPLUS系統“發變組系統”畫面中，增加“碳刷電流監測”按鈕，對“碳刷電流監測”實時畫面進行組態。

2.4 通訊設置與調試

EDPF-COMII模塊是EDPF分布式高速智能測量測控網絡中的智能通訊單元，碳刷監測電流主機通過RS485串行口，以MODBUS協議為規約，用通訊電纜與EDPF-COMII模塊連接。

2.4.1 通訊任務配置

（1）建立用戶超級終端配置。在win98，winNT或往后更高級的系統里，選“程序”-＞“附件”-＞“超級終端”，雙擊Hypertrm，輸入自定名稱（如：COM_SET）“確定”，選“直接連接到串口1”；端口設置：波特率=9600，數據位=8，奇偶校驗=無，停止位=2，流控制=無。“確定”。保存退出。

（2）啟動終端，設置EDPF-COM參數。在“程序”-＞“附件”-＞“超級終端”中，雙擊COM_SET，進入終端程序。檢查RS232通訊電纜兩端分別與PC機和COM模塊接好。COM模塊上電，終端程序界面顯示輸入口令，并有調試信息連續顯示，此時輸入DNA123。回車即顯示通訊配置提示符“#”及“歡迎使用EDPF2000-COM模塊”，先輸入“T=0”取消調試信息的輸出顯示。

（3）設置COM卡端口通訊參數。

命令#L=COM1，顯示COM卡端口1全部任務。

命令#D=COM1。刪除COM卡端口1全部任務，使COM卡端口1任務清空。

命令#S=COM19600N810M1000，設置COM卡端口1通訊參數。

參數設置命令含義如下：

第0項：需設定的通訊端口號（COM1或COM2）；

第1項：設定通訊口的波特率，碳刷電流監測主機通訊規約波特率為9600；

第2項：表示奇偶校驗，字母O表示奇校驗，E表示偶校驗，N表示無校驗。

碳刷電流監測主機通訊規約無奇偶校驗；

第3項：表示8位數據位，不可變；

第4項：表示1位停止位，不可變；

5，6，7項相互關系如下：

第6項：表示將此口設定為MODBUS主站（M），還是從站（S）工作模式：

作從站時，第5項表示此口的從站地址，非硬件設定，可人為設定，第7項無意義。

作主站時，第5項無意義，

第7項表示此口的每項通訊任務執行正確后的延時（X2ms），該項設置為2*1000ms。（注：延時低于2S時，碳刷電流監測主機無法快速傳輸數據，DCS顯示電流測點為壞點）。

（4）填寫任務列表，將任務寫入COM卡。

命令#W=COM10131961500，填寫任務列表。

“=”后面有0~7共8個參數項，命令格式為：

COM1，TaskID（0-255），SLAVEADDR（1-128），FUNC，SAddr，NRe gs，MemSAddr，TOver

其中，參數含義如下：

①TASKID：從0開始的連續任務列表。

②SLAVEADDR：COM模塊要訪問的從站設備地址，一般由硬件設定。

③FUNC：MODBUS命令功能碼。功能碼3：讀取從站的保持寄存器（40001～）數據寫至內存中。

④SAddr：MODBUS命令中要訪問的外設備的寄存器或線圈的起始地址。對功能碼1：讀從站的起始線圈的位地址。

⑤NRegs：MODBUS命令讀寫寄存器或者線圈的中數量（個數）。對功能碼1：線圈的個數，注意是位數！

⑥MemSAddr：MODBUS命令的輸入/輸出數據對應的內存區起始地址。

⑦Tover：通訊任務執行等待超時（單位為2ms）。

（5）編譯COM卡通訊任務。命令#C=COM1，編譯COM1上所有通訊任務。

編譯COM1上所有通訊任務編譯后，指定通訊端口任務才可生效。

（6）列出COM1上所有任務。命令#C=COM1，列出COM1上所有任務，再次檢查全部任務設置是否正確。

3 創新點

（1）加裝碳刷電流傳感器，傳感器分散布置于各個碳刷電流回路上通過線纜與主機（DEC-I型發電機碳刷電流監測裝置）相連，裝置可以對傳感器自動校準，無需用戶校準，電流傳感器可實時采集發電機勵磁碳刷電流信息。傳感器可隨意互換，沒有與主機接口一一對應限制。傳感器支持熱插拔，維修更換問題碳刷裝置無需斷電，不影響其它碳刷電流監測。

（2）采用485通訊接口，進行大量數據遠傳，傳輸效率高、成本低。

（3）通過邏輯組態，結合MODBUS通訊協議規約、配置DCS參數、進行邏輯組態、通訊聯調，實現集控室內遠程監測。

（4）設置四級報警門檻，實現多級預警。

（5）打破了DEC-I型發電機碳刷電流監測這一專利產品實現EDPF-NTPLUS系統遠程實時監測的技術瓶頸，形成了成套的設計、應用方案，具有很好的推廣應用價值。

4 應用簡介

總投資15萬元。改造成本低、時間短，5-7天即可完成包括霍爾安裝、控制回路接線、邏輯組態、通訊調試等全部工作，在機組調停、小修期間均可進行。

該成果以發電機碳刷在線電流監測裝置為硬件，以EDPFNTPLUS系統為平臺，加裝霍爾傳感器、敷設電源線、通訊線和報警線。增加COM通訊卡。配置DCS參數、進行邏輯組態、系統聯調，實現發電機勵磁碳刷在公司EDPF-NTPLUS系統中的遠程實時監測。成果應用后，碳刷運行維護工作，變被動模式為主動控制碳刷電流相對平衡的模式。從根本上避免過熱碳刷打火及斷辮事故的發生，保證了機組安全穩定運行。

5 結語

目前，山東石橫熱電有限公司已相繼完成#5、6（自并勵）發電機勵磁碳刷在EDPF-NTPLUS中的遠程實時監測，系統運行穩定。該成果打破了DEC-I型發電機碳刷電流監測這一專利產品實現DCS遠程實時監測的技術瓶頸，形成了成套的設計、應用方案。可以在兄弟單位或同類型機組中推廣應用，具有很好的推廣應用價值。