碳刷溫度與勵磁電參數(shù)綜合分析系統(tǒng)

陳朝曄，朱戀戀，季學(xué)友，潘明澤

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602；2.杭州中為電子科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

2019年11 月份，本公司在廠內(nèi)6號機(jī)組集電環(huán)小室內(nèi)安裝了一套發(fā)電機(jī)碳刷紅外熱成像智慧分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用紅外熱成像技術(shù)，將發(fā)電機(jī)每個碳刷及集電環(huán)的溫度都以圖像的形式清晰直觀地展示出來，系統(tǒng)將每個碳刷都做為一個獨(dú)立的測溫對象，通過對實(shí)時溫度、溫升趨勢、歷史溫度曲線等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，初步判斷發(fā)電機(jī)碳刷及集電環(huán)的工作狀態(tài)，并通過不同規(guī)則的預(yù)警、報警措施進(jìn)一步保障發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行[1]。

公司通過實(shí)際測試以及對舟山電廠、樂清電廠、嘉興電廠、臺州電廠等火力發(fā)電廠的相關(guān)電氣技術(shù)專工的交流討論發(fā)現(xiàn)，如果只單單監(jiān)測發(fā)電機(jī)碳刷的溫度并不足以說明發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，發(fā)電機(jī)組在不同負(fù)荷下運(yùn)行碳刷發(fā)生故障時的溫度并不相同（例如，在發(fā)電機(jī)組載滿負(fù)荷運(yùn)行時碳刷正常工作溫度可達(dá)110℃，但在20%負(fù)荷下運(yùn)行時碳刷溫度如果上升60℃就代表碳刷可能出現(xiàn)故障）。發(fā)電機(jī)組集電環(huán)-碳刷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，必須通過碳刷的實(shí)時溫度與勵磁電流、勵磁電壓以及發(fā)電機(jī)發(fā)電功率等電參數(shù)，結(jié)合綜合分析來判斷。針對電廠的實(shí)際情況，本公司在原有的發(fā)電機(jī)碳刷紅外熱成像智慧分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加電參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊以及相對應(yīng)的分析系統(tǒng)模塊。

1 碳刷溫度與電參數(shù)數(shù)據(jù)采集

1.1 發(fā)電機(jī)碳刷紅外熱成像智慧分析系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)碳刷紅外熱成像智慧分析系統(tǒng)，利用紅外熱成像技術(shù)采集發(fā)電機(jī)碳刷及集電環(huán)各部位的溫度，并將其溫度分布情況以熱圖像展現(xiàn)出來，并在本地計(jì)算機(jī)中建立數(shù)據(jù)庫儲存溫度數(shù)據(jù)、熱圖像、視頻等[6]；利用系統(tǒng)軟件中的點(diǎn)、線、多邊形等測溫控件對每個碳刷實(shí)施重點(diǎn)部位的重點(diǎn)監(jiān)控，通過歷史溫度曲線、溫升趨勢將發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)歷史及實(shí)時的工作狀態(tài)展示出來，配合溫度閾值報警、溫升速率報警、溫升趨勢預(yù)警等手段，進(jìn)一步保障發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行；同時利用互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，在集團(tuán)內(nèi)部服務(wù)器中建立“云端大數(shù)據(jù)庫”將本地的溫度數(shù)據(jù)、熱圖像、視頻等同步到“云端”，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享，同時擴(kuò)大了數(shù)據(jù)庫的基數(shù)，讓得到的數(shù)據(jù)更為可靠、可信。

1.2 勵磁電參數(shù)采集模塊

勵磁電參數(shù)采集模塊主要是采集勵磁總電流、勵磁電壓、有功功率、無功功率以及每個碳刷所分擔(dān)的勵磁電流。結(jié)合電廠的實(shí)際情況，勵磁總電流、勵磁電壓、有功功率、無功功率的檢測模塊，電廠之前已經(jīng)安裝。檢測到的數(shù)據(jù)已送入DCS系統(tǒng)，電參數(shù)采集模塊只需要主動去調(diào)取數(shù)據(jù)就行，而單個碳刷所分擔(dān)的勵磁電流電廠原先是由巡檢人員巡檢時用手持的鉗形表測量，沒有可調(diào)用數(shù)據(jù)的實(shí)時檢測設(shè)備，需要重新設(shè)計(jì)并安裝一套單個碳刷勵磁電流檢測的設(shè)備。

1.3 勵磁電流檢測裝置

電流檢測一般采用霍爾傳感器，霍爾傳感器分為閉環(huán)、開環(huán)無磁、開環(huán)有磁霍爾傳感器。閉環(huán)霍爾傳感器測量精度高但體積大、成本高，碳刷周邊的空間狹小，一個刷握上有4～6個碳刷，空間狹小不適合使用閉環(huán)霍爾傳感器；開環(huán)無磁霍爾傳感器精度低，誤差高達(dá)16%左右；開環(huán)有磁霍爾傳感器精度誤差1%左右[2]，可以滿足實(shí)際需求，且體積小、成本低。所以，碳刷的勵磁電流本公司采用開環(huán)有磁霍爾傳感器進(jìn)行測量。

勵磁系統(tǒng)中碳刷的數(shù)量少則60多個，多則上百個，勵磁電流測量數(shù)據(jù)如果采用有線傳輸，布線將會非常麻煩，而且會對現(xiàn)場的通風(fēng)等環(huán)境造成不利影響[3]。本公司綜合分析對比幾種傳輸技術(shù)，最終選擇利用2.4G無線傳輸技術(shù)將勵磁電流數(shù)據(jù)傳輸出來，其抗干擾性能好、抗多徑衰落能力強(qiáng)、對環(huán)境噪聲的要求低、通信質(zhì)量好、保密安全性高度可靠而且功耗較低；無線信號接收器安裝在集電環(huán)小室內(nèi)接收并解析電流數(shù)據(jù)，再通過通信電纜以RS485通訊的方式傳輸給勵磁電參數(shù)采集模塊。

勵磁電流檢測裝置的供電電源采用感應(yīng)取電與鋰電池供電相結(jié)合的雙電源供電，保障裝置的長期可靠運(yùn)行。感應(yīng)取電即通過感應(yīng)線圈收集流經(jīng)碳刷刷辮的電流所產(chǎn)生的電磁能量并將其轉(zhuǎn)換成電能[4]，為傳感器提供工作電源，并通過智能儲能技術(shù)將多余的電能儲存在鋰電池內(nèi)，通過智能調(diào)頻技術(shù)根據(jù)感應(yīng)到的電能以及剩余電能合理安排數(shù)據(jù)的傳輸頻率，確保傳感器的連續(xù)工作。實(shí)測中，當(dāng)碳刷刷辮通過的勵磁電流大于0.5A時（鋰電池?zé)o電），傳感器即可啟動工作，數(shù)據(jù)4min傳輸一次；當(dāng)碳刷刷辮通過的勵磁電流大于3A時（鋰電池滿電），傳感器數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1s一次；當(dāng)碳刷刷辮通過的勵磁電流小于0.5A時，單獨(dú)使用鋰電池供電，傳感器可繼續(xù)工作1個月。

2 碳刷溫度與勵磁電參數(shù)綜合分析系統(tǒng)

碳刷溫度與勵磁電參數(shù)綜合分析系統(tǒng)是根據(jù)電廠的實(shí)際需求，在原有的發(fā)電機(jī)碳刷紅外熱成像智慧分析系統(tǒng)中，增加勵磁電參數(shù)采集模塊以及綜合分析模塊，輔助運(yùn)行人員掌握發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行情況。如圖1所示，系統(tǒng)首先由電參數(shù)采集模塊與紅外熱像儀采集勵磁系統(tǒng)的電參數(shù)及碳刷溫度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析處理并保存在數(shù)據(jù)庫中，碳刷的溫度以紅外熱圖像的方式顯示如圖2所示，勵磁電參數(shù)以實(shí)時窗口及電流分布曲線的形式顯示如圖3所示。最后，分析模塊再利用數(shù)據(jù)庫對碳刷溫度數(shù)據(jù)、單碳刷勵磁電流、碳刷使用情況、勵磁系統(tǒng)工作狀態(tài)等情況進(jìn)行綜合分析，保障發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

溫度數(shù)據(jù)分析即是對碳刷的溫升速率及溫升趨勢的綜合分析，機(jī)組運(yùn)行過程中碳刷的溫度會受多種因素影響而發(fā)生變化，分析系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)綜合分析出碳刷溫度合理的變化范圍，再利用溫升速率報警及溫升趨勢預(yù)警來輔助運(yùn)行人員判斷碳刷的實(shí)時運(yùn)行情況。

碳刷電流分析即是對單個碳刷所分擔(dān)的勵磁電流情況進(jìn)行分析，碳刷由于其生產(chǎn)材質(zhì)、批次、工藝、磨損度等因素的不同，使得各個碳刷的電阻值也存在著差異，每個碳刷所分擔(dān)的電流值也不同。碳刷的“負(fù)溫度特性”是指碳刷溫度越高其阻值越小，分擔(dān)的勵磁電流越大產(chǎn)生的熱量越多，容易形成一個惡性循環(huán)，分析系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的電流數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)表格的形式展示[5]，而采用電流分布曲線的方式展示，對比圖3、表1可以發(fā)現(xiàn)分布曲線能更清楚地顯示出勵磁電流的分布情況，也能更為直觀地展示出勵磁電流異常的碳刷數(shù)量及位置。同時，分析系統(tǒng)再通過對電流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析計(jì)算，確定一個合理的電流差值（同一時間最大電流與最小電流的差值）及電流占比值（單個碳刷勵磁電流占總電流的比值）波動區(qū)間，并設(shè)置報警信號輔助運(yùn)行人員判斷碳刷的實(shí)時運(yùn)行情況。

圖1 系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram

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

圖3 勵磁電流分布圖Fig.3 Distribution diagram of excitation current

碳刷使用情況、勵磁系統(tǒng)工作狀態(tài)等情況的分析是建立在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，通過縱橫向?qū)Ρ确治鎏妓囟燃半娏?，利用溫度及電流?shù)據(jù)來判斷碳刷的使用情況及勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)。利用同一位置碳刷更換碳刷前后所分擔(dān)電流數(shù)值及占比值，以及使用1、2、3個月后碳刷所分擔(dān)電流數(shù)值及占比值，再結(jié)合碳刷的溫度數(shù)據(jù)判斷勵磁系統(tǒng)工作狀態(tài)以及碳刷是否需要更換檢查；利用碳刷的溫度及電流數(shù)據(jù)綜合對比分析得出勵磁電流通過碳刷時碳刷的合理溫度，再通過溫度來判斷勵磁系統(tǒng)的通風(fēng)、散熱等情況。

3 總結(jié)

表1 勵磁電流統(tǒng)計(jì)表Table 1 Excitation current statistics table

碳刷溫度與勵磁電參數(shù)綜合分析系統(tǒng)，通過紅外熱圖像、歷史溫度曲線、勵磁電流分布曲線將碳刷溫度、溫升趨勢、勵磁電流分布等情況顯示出來，運(yùn)行人員能非常直觀地掌握勵磁系統(tǒng)的工作情況，并快速找到故障碳刷的位置與數(shù)量。系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)庫與集團(tuán)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)共享，提高數(shù)據(jù)的可靠性，再通過對碳刷的溫度數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)的縱橫向綜合對比分析，判斷發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保障機(jī)組的安全運(yùn)行。