紅外熱成像技術(shù)在發(fā)電機碳刷滑環(huán)中的應(yīng)用

沈 琦，劉 剛，季學(xué)友，潘明澤

（1.浙江浙能嘉華發(fā)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(fā)電機的磁場一般都是通過在轉(zhuǎn)子電樞繞組中通入直流電流產(chǎn)生的，而電流則是通過碳刷滑環(huán)引入發(fā)電機轉(zhuǎn)子電樞繞組中的。因此，碳刷滑環(huán)是發(fā)電機組進行正常發(fā)電必不可少的一部分。碳刷滑環(huán)運行狀況的好壞直接影響著發(fā)電機運營的安全，而目前發(fā)電機碳刷滑環(huán)還是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，各大電廠對碳刷滑環(huán)的監(jiān)測一般是通過對勵磁電流、勵磁電壓等參數(shù)的檢測來判斷其運行狀況，實際上在事故發(fā)生的前期，很長一段時間內(nèi)，由于勵磁系統(tǒng)的調(diào)控、勵磁電參數(shù)的數(shù)據(jù)都正常，所以當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生明顯異常情況時，事故已經(jīng)非常嚴重了。這類由發(fā)電機碳刷滑環(huán)故障引起的發(fā)電機組強迫停機事故，造成的非計劃內(nèi)停機事故在國內(nèi)各大電廠內(nèi)每年都會發(fā)生，對發(fā)電企業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失，對人民的穩(wěn)定用電需求造成影響。

1 碳刷滑環(huán)故障分析

碳刷是以碳為主體的刷子形狀的部件，在發(fā)電機碳刷滑環(huán)系統(tǒng)起到導(dǎo)流的重要作用，是發(fā)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(huán)一直處于緊密貼合的狀態(tài)。碳刷發(fā)生故障最直觀的表現(xiàn)是溫度發(fā)生變化，碳刷與滑環(huán)之間是直接接觸并發(fā)生滑動摩擦，摩擦本身會產(chǎn)生大量的熱量，若碳刷或者滑環(huán)表面有油漬、粉塵等污染，會增加其表面滑動摩擦系數(shù)，而摩擦力增加，發(fā)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(dāng)發(fā)電機碳刷出現(xiàn)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(dān)的電流值不同，電流越大，發(fā)熱量就越大，碳刷的電阻值就越小，這個特性導(dǎo)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(dān)的電流值就越多，從而形成一個惡性循環(huán)，如得不到及時處理，最終可能導(dǎo)致環(huán)火、非計劃停機事故[1]。

碳刷滑環(huán)在發(fā)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(xiàn)故障的早期表現(xiàn)。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(huán)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(xiàn)卡澀等原因，造成其分擔(dān)的勵磁電流過小，而其他碳刷分擔(dān)的電流將會加大，在機組高負荷運行時也容易引發(fā)事故。因此，對發(fā)電機碳刷滑環(huán)進行溫度監(jiān)測在保障機組的安全運行中有著至關(guān)重要的作用。

2 現(xiàn)有測溫方案對比

通過對多家發(fā)電廠的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)電廠對發(fā)電機組勵磁碳刷滑環(huán)的溫度監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)，按時使用點溫槍或者手持紅外熱像儀，對設(shè)備的重點區(qū)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(jīng)驗來判斷設(shè)備的運行狀況，雖然能發(fā)現(xiàn)很多故障隱患，但是也存在很多不穩(wěn)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(fā)生環(huán)火事故過程往往只有十幾到幾十分鐘，難以及時發(fā)現(xiàn)問題[2]；巡檢人員態(tài)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(fā)電機碳刷滑環(huán)系統(tǒng)可能存在的隱患；巡檢之后形成的巡檢報告多數(shù)由紙質(zhì)版表格保存，巡檢人員能否詳細記錄巡檢時間、巡檢內(nèi)容；巡檢人員的不同，可能會導(dǎo)致巡檢報告內(nèi)容不統(tǒng)一，對同一問題現(xiàn)象的描述五花八門。

在調(diào)查中，也發(fā)現(xiàn)有部分電廠在發(fā)電機碳刷滑環(huán)系統(tǒng)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(biāo)進行點對點的非接觸式測溫。在碳刷滑環(huán)中進行應(yīng)用，可以對目標(biāo)點進行24h的在線監(jiān)測，但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)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(yīng)一個測溫點，對于碳刷滑環(huán)這種需要大面積監(jiān)測溫度的系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸必須靠有線傳輸，這樣布線就會變得非常麻煩；常規(guī)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(fā)電機組碳刷滑環(huán)的特殊性，無法在原有設(shè)備上進行安裝紅外測溫傳感器，只能根據(jù)現(xiàn)場實際情況定制安裝支架進行安裝，額外增加了碳刷滑環(huán)安全運行的風(fēng)險，而且紅外線傳感器數(shù)據(jù)通常使用4mA～20mA模擬量進行有線傳輸，相對的數(shù)據(jù)傳輸距離較短[3]，溫度監(jiān)測顯示裝置只能放在現(xiàn)場，出現(xiàn)報警信息時，巡檢人員只有到達現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)問題，大大延誤了報警響應(yīng)時間；紅外線測溫顯示的數(shù)據(jù)屬于實時的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一般保存在裝置處理器的內(nèi)存中，但內(nèi)存空間小，儲存數(shù)據(jù)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(jù)。

3 紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)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(xué)系統(tǒng)也必須有效地傳輸這些波長的光。

3.2 優(yōu)勢

圖1 設(shè)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(shù)的突破，人們對紅外熱像儀的應(yīng)用不斷增多，紅外熱像儀在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也愈來愈廣泛。紅外熱成像技術(shù)作為一個新興測溫技術(shù)，相比傳統(tǒng)測溫技術(shù)而言，有著無可比擬的優(yōu)勢。例如，紅外熱成像測溫的面積非常廣，傳統(tǒng)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(qū)域內(nèi)所有點進行測溫，能兼顧所有部位；紅外熱成像測溫響應(yīng)時間極大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)測溫方式，傳統(tǒng)如熱電偶測溫，一般通過熱傳導(dǎo)的形式使得溫度傳感器的溫度發(fā)生變化，進而計算出溫度數(shù)值，因材料的差異其響應(yīng)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(yīng)時間通常是毫秒級別，部分熱像儀響應(yīng)時間甚至達到微秒級別；在此基礎(chǔ)之上，紅外熱成像測溫抗干擾能力極強，紅外熱成像技術(shù)接收物體表面發(fā)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(fā)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(huán)境、空氣中的雜質(zhì)影響，包括在粉塵環(huán)境及一些復(fù)雜的工作環(huán)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(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)成像，不需要借助照明光和環(huán)境光，而是采集被測物體輻射，經(jīng)專業(yè)系統(tǒng)軟件處理，自動生成物體圖像?；谶@個原理，紅外熱成像系統(tǒng)24h進行全天候工作成像，不受環(huán)境、光照等外界因素影響，是工業(yè)生產(chǎn)中重要的監(jiān)測手段。

3.3 在碳刷滑環(huán)中的應(yīng)用

在線式紅外熱成像系統(tǒng)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(biāo)物體的紅外熱圖像數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖或者網(wǎng)線傳輸?shù)浇粨Q機中進行數(shù)據(jù)交互，硬盤錄像機連接交換機后進行視頻數(shù)據(jù)的刻錄保存，計算機通過專有軟件對交換機里的數(shù)據(jù)進行調(diào)用后處理分析，并在顯示器上顯示出來。

發(fā)電機碳刷滑環(huán)一般是處在碳刷室內(nèi)，碳刷室內(nèi)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(shè)備運行的情況下，利用紅外熱像實現(xiàn)對發(fā)電機碳刷滑環(huán)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(xiàn)場的實際測試與后期模擬計算，為實現(xiàn)對碳刷滑環(huán)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(cè)與負極的左右兩側(cè)，鏡頭的可視角應(yīng)選擇大于70度的廣角鏡頭，鏡頭與被測區(qū)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(jié)約一定的生產(chǎn)成本[5]。

運行人員掌握碳刷滑環(huán)的運行情況，除了通過紅外熱圖像直觀地了解碳刷滑環(huán)的溫度分布情況外，還需要對紅外熱像儀采集到的數(shù)據(jù)進行智能分析處理。傳統(tǒng)測溫設(shè)備一般是通過數(shù)值對比，設(shè)置溫度閾值報警。在線式紅外熱像系統(tǒng)在閾值報警的基礎(chǔ)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(nèi)上升10℃，這時雖然溫度沒有達到設(shè)定閾值，但是此時設(shè)備的運行狀況明顯異常，如不及時處理很可能造成環(huán)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(yù)警：例如，溫度閾值設(shè)置120℃，當(dāng)前溫度110℃，溫度在過去1h之內(nèi)上升了15℃，按當(dāng)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(fā)出溫升趨勢預(yù)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(tǒng)在運行過程中能檢測到大量的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)碳刷編號、系統(tǒng)時間等信息對溫度數(shù)據(jù)進行整理歸檔，形成有效的數(shù)據(jù)庫文件。系統(tǒng)通過溫度數(shù)據(jù)庫生成月度總結(jié)報表、年度總結(jié)報表等，幫助運行人員掌握當(dāng)月、當(dāng)年碳刷滑環(huán)的整體運行情況。同時，系統(tǒng)可采集機組運行的勵磁電流數(shù)據(jù)，再結(jié)合溫度數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，通過對碳刷溫度數(shù)據(jù)與勵磁電流數(shù)據(jù)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(tài)及工作環(huán)境[6]。

4 結(jié)束語

紅外熱成像測溫技術(shù)具有響應(yīng)速度快、測溫精準(zhǔn)、測溫距離遠，不受光線粉塵影響等優(yōu)勢，適合在重要工業(yè)廠景應(yīng)用。在線式的紅外熱成像系統(tǒng)，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(guī)則，對已發(fā)生事故提前報警，以減少事故帶來的損失；通過大數(shù)據(jù)的對比分析，輔助運行人員判斷設(shè)備的運行狀況，以減少事故的發(fā)生。因此，在線式的紅外熱成像系統(tǒng)能有效地對發(fā)電機碳刷滑環(huán)實施在線監(jiān)測。