發電機勵磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監測系統的設計與應用

國能神福（石獅）發電有限公司 熊靜源

1 發電機勵磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監測系統應用背景

目前大部分發電企業對發電機勵磁碳刷和集電環監測的手段主要是通過運維人員定期目視巡檢、對碳刷提刷檢查、手持紅外測溫儀或熱成像儀測溫等各種人工檢查的方法，這些人工檢查的方法工作效率低且風險高。對發電機勵磁碳刷、集電環、刷架等勵磁系統關鍵部位開展實時在線可視化監測就能較好地避免此類問題，降低檢修人員日常的工作量，并且提前發現故障隱患，提高工作效率[1]。因有必要研究一套發電機勵磁系統的在線可視化監測系統并應用在發電機勵磁碳刷和集電環系統的日常運行監視與維護中去，監測系統在發電機勵磁碳刷故障形成的早期及時捕捉故障并給運維人員提供預警，運維人員根據預計信號診斷故障類型及性質，及時消除勵磁碳刷的潛伏性缺陷，確保發電機穩定運行。

2 發電機勵磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監測系統主要特點

發電機勵磁碳刷紅外成像溫度監測系統能彌補目前停電預防性試驗不能連續監測、評估發電機勵磁碳刷在運行中過熱和高溫的缺點，能初步定位早期故障的位置和類型、預判和防止重大的突發絕緣事故。對每一個勵磁碳刷進行加裝電流傳感器，在勵磁室加裝紅外成像攝像頭，對每個碳刷進行非接觸式溫度監測，實現對勵磁碳刷的連續在線監測，實時遠程顯示。對異常碳刷點提前預警和提示檢修人員更換。系統通過連續運行和智能學習，判斷每個碳刷預期壽命。

對于現場發電機碳刷每個故障點進行智能學習分析，制定碳刷更換機制，并發現存在隱患以便檢修及時排查和提前定制針對性的檢修計劃。對發電機檢修和維護具有一定參考借鑒意義，不僅節約檢修的費用，還可以針對性處理轉子存在的缺陷，可大幅度提高設備的運行穩定性，避免機組非停造成的經濟損失。國能神福(石獅)發電有限公司目前采用人工定期用鉗形表對每臺機144個勵磁碳刷逐個檢測方式開展發電機勵磁碳刷分布電流檢測，存在較大的勵磁系統接地風險和人員作業觸電的風險，通過對發電機勵磁碳刷的分布電流進行在線監測能夠有效解決這兩個問題。

此外，該系統具有的創新點有以下兩方面[2]。

一是在不改變勵磁刷握結構下，采用一體化電流傳感器，實時監測刷握上的每個碳刷電流，相比單個霍爾元件，安全可靠穩定，測量精準度高。監測裝置能實時監測發電機勵磁每個碳刷電流，當電流不均衡時，對異常勵磁碳刷電流顯示警示狀態，供運行管理者和維護人員對現場進行參考處置，并將實時采集的每塊碳刷的電流信息，傳輸到現場監控裝置與監控中心，在監測服務器上處理顯示，同時能將報警信號發送給DCS。

二是采用雙目紅外成像溫度監測，能區分高中低溫，當溫度達到設定的閾值時，自動錄取高溫段曲線，顯示過熱溫度點，并同時發出報警。發電機碳刷溫度監測裝置由紅外熱像單元、現場采集裝置和后臺組成，采集裝置采集溫度信號，將數據發送至通訊管理器，裝置具備RS485或以太網數據接口，可將信號發送至現場監控裝置及監控中心，監控中心將信號發送至遠程服務器，便于管理者和維護人員對現場進行參考處置。

3 發電機勵磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監測系統的設計

3.1 系統的主要組成

系統主要由4部分組成[3]。

第一部分:1臺主站，安裝于碳刷隔音罩內，功能是收集所有從站上傳的碳刷電流信息進行處理運算，是整個系統的管理控制中樞。

第二部分:從站，包括若干碳刷電流傳感器，用于采集本刷握碳刷電流并將電流信息上傳至主站，設置數量與刷握的數量一致。

第三部分: 雙目紅外熱像處理單元，通過先進的雙目紅外熱成像單元采集碳刷位置的可見光畫面和紅外熱成像畫面，進一步通過紅外熱成像機芯，處理采集到的信息。正確的反映出碳刷的現場真實情況和紅外成像熱成像情況，便于及時發現故障，第一時間進行處理。

第四部分:后臺軟件分析系統，其作為本系統的人機界面，通過計算機電纜與主站內主機建立連接，主站將收集到的所有從站的碳刷電流信息以及收集雙目紅外熱成像發出的成像信號，聚集在一起通過光纖傳輸到后端的光纖匯總機，傳送至后臺專家診斷分析系統。

3.2 系統整體框架及工作原理

發電機勵磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監測系統通過采集每塊碳刷的電流信息并傳輸到現場監控裝置與監控中心進行分析，實現對發電機勵磁碳刷電流以及溫度熱像分配變化信息的報警提示，供運行管理者和維護人員對現場進行參考處置，避免相關事故的發生，保證設備運行質量，提高工作效率。系統的整體框架如下面圖1所示，主要由若干電流傳感器、若干溫度傳感器、A/D 轉換模塊、微控制器/MCU、報警繼電器、人機界面HIM 屏等部分組成。發電機勵磁碳刷的電流在線監測系統整體框架如圖1所示。

圖1 發電機勵磁碳刷的電流在線監測系統整體框架

紅外熱成像單元實物如圖2所示，分區測量溫度，因為發電機的勵磁碳刷數量較大，且受現場空間及環境限制，設備安裝及調試的可操作空間較狹窄，故現場溫度檢測裝置必須滿足體積袖珍、測量精度高的條件；一旦溫度測量裝置損壞或發生故障，必須保證在發電機組連續運轉的情況下進行該測量裝置的檢修或更換；還必須最大程度降低投資成本；基于此三點，選擇紅外熱像單元進行溫度測量，實現溫度分區控制，當過熱點實時傳輸至主站[4]。

圖2 紅外熱成像單元實物

霍爾傳感器位置如圖3所示，安裝有霍爾傳感器，獲取實時的碳刷電流狀態，并上傳至計算機處理系統，為數據報警提供依據。

圖3 霍爾傳感器位置

3.3 系統測試要點

為精確掌握發電機勵磁碳刷電流狀態及熱成像情況，合理選擇碳刷數量，優化通信連接線結構，進一步保障監測系統安全可靠工作，提前發現并解決汽輪發電機碳刷及滑環故障造成發電機勵磁系統嚴重事故，需要從以下4方面重點把控。

一是制定發電機勵磁碳刷電流和集電環溫度紅外熱成像報警點選擇。

二是建立碳刷電流以及集電環溫度在線檢測，并將檢測數據傳送至DCS 集中監控。

三是利用碳刷電流實時監測數據判斷碳刷磨損情況及利用集電環的紅外熱成像判斷系統過熱點。

四是通過電流溫度數據的采集分析碳刷集電環設備狀況并在危險運行工作下自動報警，提前預知故障[5]。

發電機勵磁碳刷紅外成像溫度監測系統能夠在發電機不停機狀態下，預測其勵磁碳刷在運行中過熱和高溫的缺點，快速確定故障的位置和類型、預判和防止重大的突發絕緣事故，主要結論有以下幾點。

一是汽輪發電機碳刷數目一般較多，且相鄰之間排列緊密，留給器件安裝的可用空間小。為此，測量碳刷電流的器件必須滿足物理尺寸小、安裝方便、通信線路數目少等特點。基于上述原因，本系統選擇碳刷電流溫度成像總線方案，能夠實現小型化、便捷化的目的。

二是由于系統工作環境存在大電流、強磁場等干擾，為使得系統在現場能夠正常工作而不出現故障，甚至出現錯誤信號的情況，需要從器件選擇和信號調制方式選擇兩方面著手解決。對于獲取碳刷電流狀態的器件選擇，通過理論分析，結果均表明器件可以正常工作。對于信號調制方式選擇，通過與常用的采用直流載波技術的HBS 對比，最終選擇采用APM 方式的碳刷電流溫度總線，能夠較好滿足系統的要求。

三是監測系統利用專用芯片組成碳刷電流紅外成像總線，通過詳細設計電流從站和溫度成像從站，可實現最多對248路碳刷電流成像狀態的監測，對溫度的測量范圍在-30～300℃。

四是通過原理圖進行實物制作，以此為基礎搭建試驗平臺，并在平臺上進行系統的各項功能驗證。通過對SPI 接口和RS485接口通信波形的分析，表明系統的功能基本實現。所得溫度結果與對照組誤差均小于0.5℃，碳刷電流狀態能夠正常獲取，系統設計目標基本實現。

4 結語

本文設計了發電機勵磁碳刷電流紅外熱像可視化在線監測系統，該系統可以在不影響發電機正常運行的工況下，連續監測發電機勵磁碳刷電流溫度狀況，通過碳刷電流和溫度的變化，以評估其系碳刷表面磨損情況。定期出數據分析報告，做到對發電機碳刷磨損狀態的綜合分析，對發現的問題及時處理，避免因發電機勵磁碳刷劣化引起的故障，保證發電機組的安全穩定運行。