新型分布式調相機碳刷室在線監測系統

李 勇，鐸 良，張春莉，馬智文

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

1 概述

近些年，我國新能源快速發展，電力系統逐步形成以高比例新能源為主要特征的新型電力系統。新型分布式調相機，能夠就地靈活地提升新能源場站的短路容量、動態無功支撐能力和轉動慣量，對避免風電、光伏等新能源發電設備的脫網，提高新能源廠站匯集地區的電壓、頻率穩定性具有非常明顯的作用[1]，是保障新能源可持續發展的關鍵設備。對于調相機來說，碳刷和集電環是其重要組成部分，其工作狀況直接關系到機組的安全運行。通常情況下，人工定期巡檢調相機碳刷室，這種模式效率低下、無法及時發現事故苗頭，給安全生產帶來極大的隱患。

目前新型分布式調相機（包括熱電發電機）配置有軸瓦、鐵心繞組等溫度，軸瓦、軸承座等振動，匝間短路，軸電壓，軸電流等監視、保護信號。分布式調相機碳刷室結構緊湊、空間狹小，對于其在線監測缺乏成熟、穩定的解決方案。本體提出一種用于分布式調相機碳刷室在線監測的解決方案。

2 系統介紹

2.1 設計思路

2.1.1 安全穩定、可靠性高

碳刷磨損和電流分別采用非接觸式的電容傳感器和霍爾傳感器，不在碳刷電流主回路上安裝，無安全隱患。通信方式采用無線傳輸，能夠適應強電磁干擾環境。

2.1.2 功能齊全、配置靈活

本方案能夠實現碳刷磨損量、碳刷電流、碳刷溫度以及集電環溫度的實時監測功能，用戶可以根據自己的需求進行選配。

2.1.3 通用性強、可操作性高

碳刷采用通用型號、無需特殊定制，刷握能夠保持原有結構，對于新建和改造機組適應性良好。

2.2 系統結構

硬件系統由碳刷采集單元、集中器、中繼器、集電環熱成像傳感器、監控主機及遠程顯示等構成（如圖1）。

圖1 系統構成圖

系統軟件功能包括：主控畫面、磨損監測、電流監測、溫度監測、參數設置、視頻監視、實時曲線、歷史曲線、報警監視等。

2.3 系統功能

2.3.1 碳刷磨損監測

碳刷磨損監測采用電容原理實現：在刷握上構建可變電容，碳刷為良好的導電介質，當碳刷磨損后其長度發生變化，碳刷原來的部分位置變成了空氣介質。對電容而言原來良好的導電介質碳刷變成了絕緣的空氣介質，其電容的大小將發生變化，外部監測裝置可據此判定碳刷的剩余長度，原理示意（如圖2）。

圖2 碳刷磨損監測原理圖

在實際的運行中周圍的溫度、空氣介質及其他的環境因素都會影響監測的準確性。信號處理采用差分原理就能很好的解決這一問題。

方案特點：安裝方便、抗干擾能力強、測量精度可控，無需改變碳握的原有結構。

2.3.2 碳刷電流監測

機組通過碳刷、集電環等形成勵磁電流回路，該電流信號理論上是直流，常用的電流互感器不能用于碳刷勵磁電流的檢測。本系統采用一體式霍爾電流傳感器來測量碳刷電流。

將霍爾傳感器安裝在刷辮上面。電流會在傳感器內產生磁通，與次級線圈電流所產生的磁場進行平衡，保持總體磁通為零，然后通過放大濾波電路將信號調理到CPU 可以采集的信號范圍，通過CPU 內部的A/D 轉化器將模擬信號變化成數值量信號[2]，從而實現碳刷電流監測。

方案特點：響應速度快、測量范圍寬、線性度高、功耗低、結構簡單、不改變碳握結構。

2.3.3 碳刷、集電環溫度監測

（1）碳刷溫度監測

碳刷的工作狀態測溫范圍為常溫至200℃，溫度測量傳感器須耐受更高溫度沖擊，采樣精度指標要求不需要很高（一般±2℃即可），但對于測溫穩定性能的要求較高。因此，本方案采用熱電偶作為碳刷溫度采集傳感器。

需要注意的是傳感器需要與碳刷接觸良好，使兩者達到熱平衡，從而更準確地實現碳刷溫度監測。

方案特點：測量范圍廣、成本低、穩定性和均勻性較好。

（2）集電環溫度監測

集電環在工作時高速旋轉，須采用非接觸式傳感器。紅外成像是實現非接觸式溫度監測的有效手段。

分布式調相機碳刷室結構緊湊、空間狹小，紅外成像傳感器的安裝位置對實現集電環溫度監測至關重要。

方案特點：被動式溫度熱像監測，簡單方便；響應速度快；可實現大面積快速掃描成像；數據處理和存儲空間要求高。

2.3.4 綜合診斷報警分析、報警

碳刷的主要工作狀態特征是電流、溫度和磨損量。系統可以對單個刷握中每個碳刷的電流進行分析，發現運行過程中電流分布的異常狀況，判斷出碳刷的早、中期異常。通過對運行的溫度和長度數據進行分析，結合碳刷電流運行數據，對每個碳刷的工作狀態進行評估，可診斷中后期故障并發出報警。為碳刷的更換和刷握維護提供可靠、可信依據。

3 廠內試驗及工程應用

3.1 廠內真機試驗

2020 年10 月，基于某熱電項目對碳刷室監測系統進行了真機試驗。試驗在機組空載及短路試驗工況下進行。本次試驗主要項目包括碳刷磨損、碳刷電流及溫度監測、報警以及系統無線傳輸裝置的抗干擾能力測試。

試驗前，將4 組測試刷握共計16 個碳刷和其他刷握一并安裝到刷架上。其中1-1 碳刷長度為63 mm，2-1 碳刷長度為61 mm，3-1 碳刷長度為59 mm，其余碳刷長度為90 mm。短路特性試驗時，逐段增加勵磁電流，過程中對各狀態參數實時測量、記錄和比對，部分測試數據如表1。

表1 短路特性試驗測試數據

通過廠內真機試驗，碳刷監測系統能在空轉、空載、短路溫升等不同工況下連續運行，系統能實時、準確顯示各碳刷電流、溫度和剩余長度等信息，數據采集、分析及無線傳輸均正常，試驗達到了預期目的。

3.2 工程應用

2023 年初，本套碳刷室監測系統在東方電機配套的某分布式調相機站投運，系統投運以來，監測數據和實際數據吻合，運行穩定、監測效果良好。

通過系統能夠實現實時監測調相機的碳刷溫度、碳刷磨損、系統電池電壓等信息，系統主畫面如圖3 所示。

圖3 系統主畫面

系統支持查閱歷史數據，并以曲線圖形顯示設備運行參數變化。以1 號碳刷磨損為例：該碳刷1月1 日的初始化長度為90 mm，1 月8 日機組開始啟動，剩余長度為89.093 mm；1 月18 日碳刷剩余長度83.659 mm；到1 月30 日時，碳刷剩余長度為80.351 mm。通過圖4 趨勢圖，可以直觀的看到碳刷剩余長度的變化趨勢，一個月磨損了10 mm。

圖4 1 號碳刷剩余長度趨勢圖

4 結語

隨著自動化、智能化發展，以及無人值守運行模式的需求，用戶對碳刷室在線監測需求十分迫切。傳統的人工目視、手持儀器定期巡檢存在運維量大、須接近高速轉動機組、采集數據不連續、無法及時發現事故先兆等缺點。本文提出的碳刷室在線監測方案能夠有效、穩定地實現新型分布式調相機碳刷室在線監測，記錄碳刷的磨損量、溫度及電流等變化趨勢，提前發出預警，為機組長期安全穩定運行保駕護航。

本系統功能齊全、安全穩定、性價比高，可在新建新型分布式調相機（包括大調相機、熱電機組、水電機組）推廣應用。同時，本系統不改變刷握原有結構、安裝方便，也可在已投運的新型分布式調相機（包括大調相機、熱電機組）進行改造推廣。