李勇 薛長奎 羅勇 黃國微

摘要：發(fā)電機(jī)碳刷和集電環(huán)是動(dòng)靜接觸和能源交換的裝置，運(yùn)行時(shí)處于持續(xù)磨損中，容易受機(jī)械、電氣等因素影響而導(dǎo)致碳刷和集電環(huán)等部件發(fā)熱、破損或松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)載電流失衡引起滑環(huán)發(fā)熱甚至起火，造成重大損失。因此，發(fā)電機(jī)碳刷監(jiān)測很有必要。本文針對上述問題對碳刷監(jiān)測進(jìn)行了研究，提出一種碳刷磨損、溫度和電流的監(jiān)測方案。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)碳刷;監(jiān)測系統(tǒng);碳刷磨損

1 概述

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，碳刷處于持續(xù)磨損中，其電氣參數(shù)會(huì)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)接觸面產(chǎn)生較大溫升，且同一發(fā)電機(jī)的每個(gè)碳刷參數(shù)變化不一致，可能將會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電流失衡引起滑環(huán)發(fā)熱甚至起火，造成重大損失。發(fā)電機(jī)碳刷發(fā)熱現(xiàn)象運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行[1]，如2013年6月，貴州某電廠2#發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，集電環(huán)及碳刷因溫度過高發(fā)生故障停機(jī)[3]。因此，碳刷的運(yùn)行狀況，直接關(guān)系到機(jī)組的安全運(yùn)行，對機(jī)組碳刷進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測很有必要。

目前，國內(nèi)各類水電、火電站的發(fā)電機(jī)的碳刷監(jiān)測，主要由運(yùn)行人員定期對碳刷溫度和電流手動(dòng)測量并且詳細(xì)記錄完成，然后根據(jù)測量結(jié)果分析碳刷運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對運(yùn)行狀況差的碳刷進(jìn)行調(diào)整[2]。這種模式存在運(yùn)行人員工作量大、效率低等缺點(diǎn)。另外，在巡檢時(shí)需要運(yùn)行人員靠近高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)組，存在很大的安全隱患。而且，傳統(tǒng)的巡檢方式，周期間隔長，采集數(shù)據(jù)不連續(xù)，獲得的數(shù)據(jù)很片面，不能反映碳刷的整體運(yùn)行狀態(tài)，有失科學(xué)性、存在明顯的局限性。因此，急需一種監(jiān)測策略，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)碳刷實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 碳刷智能監(jiān)測策略

本文針對發(fā)電機(jī)碳刷監(jiān)測系統(tǒng)的需求，結(jié)合刷握結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過系統(tǒng)集成、設(shè)計(jì)和開發(fā)，提出實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)碳刷智能監(jiān)測的一種策略。

本碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)策略將磨損、溫度及電流傳感器和碳刷刷握一體化設(shè)計(jì)，通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡單、安裝可靠。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地對碳刷磨損量、溫度以及電流等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)碳刷存在異常或故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保障設(shè)備的安全。系統(tǒng)還能將數(shù)據(jù)信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)碳刷運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)提供支持。本碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以運(yùn)用于各種熱電發(fā)電機(jī)，還可運(yùn)用于水電等其它各種有刷電機(jī)的碳刷在線監(jiān)測。

2.1系統(tǒng)組成

碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳感器、無線傳輸裝置、數(shù)據(jù)中繼、工業(yè)計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集傳感器完成數(shù)據(jù)采集，由碳刷磨損、溫度以及電流傳感器組成。本系統(tǒng)通過集成化設(shè)計(jì)，將傳感器集成在刷握適當(dāng)位置，不改變碳刷結(jié)構(gòu)，適用于通用碳刷。采用無線傳輸，減少電纜、便于布置。

圖1碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)圖

2.2系統(tǒng)功能

碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地采集每個(gè)碳刷的運(yùn)行電流、溫度和磨損度，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)顯示。當(dāng)參數(shù)超過閥值時(shí)，發(fā)出報(bào)警。另外，系統(tǒng)具有人機(jī)接口功能，方便顯示和參數(shù)設(shè)定。

（1） 碳刷溫度監(jiān)測及報(bào)警

為了提高監(jiān)測精度，碳刷溫度監(jiān)測選用接觸式方案，將傳感器固定于碳刷上適當(dāng)位置。測溫電阻的阻值隨著碳刷溫度變化而改化，能夠精確反應(yīng)碳刷的實(shí)際溫度，測量精度高且安裝方便。實(shí)時(shí)顯示碳刷溫度，當(dāng)溫度超過報(bào)警值時(shí)，報(bào)警。

（2） 碳刷電流監(jiān)測

在傳統(tǒng)的運(yùn)維模式下，運(yùn)行人員定期用鉗形直流表測量各個(gè)碳刷上承載的電流[2]，存在數(shù)據(jù)不連續(xù)、不安全等問題。本系統(tǒng)選用霍爾電流傳感器與刷握一體化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測每個(gè)碳刷上的電流。

（3） 碳刷磨損監(jiān)測及報(bào)警

機(jī)組持續(xù)運(yùn)行時(shí)，碳刷的長度會(huì)逐漸減少，當(dāng)碳刷磨損到一定量時(shí)，需要及時(shí)更換。為了避免由碳刷磨損引起的事故，須對碳刷磨損進(jìn)行連續(xù)性的監(jiān)測。本系統(tǒng)選用磨損傳感器，精度可控、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，保證了磨損測量的穩(wěn)定性。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示碳刷剩余長度，當(dāng)剩余長度小于設(shè)定時(shí)，報(bào)警，及時(shí)通知人員更換。

（4） 參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳

碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)配置了軟件平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析及實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警的功能。運(yùn)行人員通過人機(jī)界面設(shè)置顯示和報(bào)價(jià)參數(shù)。同時(shí)，留有通用的通訊接口，方便數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

3結(jié)論

近幾年，電站由于碳刷過熱導(dǎo)致起火甚至機(jī)組長時(shí)間停機(jī)的事故常有發(fā)生，設(shè)置碳刷智能監(jiān)測系統(tǒng)很有必要。部分新招標(biāo)機(jī)組明確提出了碳刷監(jiān)測功能的需求，因此碳刷智能監(jiān)測是大勢所趨。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方式，本智能監(jiān)測系統(tǒng)策略在監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)維度方面增加了連續(xù)性和完整性，能最大程度采集到被監(jiān)測設(shè)備整體運(yùn)行狀態(tài)特征，讓其在有效監(jiān)測下運(yùn)行，從而減少機(jī)組故障發(fā)生概率，提高機(jī)組無故障運(yùn)行時(shí)間。本策略的實(shí)施能改變碳刷室巡檢模式，減少運(yùn)行人員、節(jié)約人力成本;還能大量累積碳刷運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對實(shí)現(xiàn)機(jī)組遠(yuǎn)程故障診斷和預(yù)防性維護(hù)打下基礎(chǔ)，符合電站智能化發(fā)展的趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 張玉龍 發(fā)電機(jī)碳刷發(fā)熱及預(yù)防措施[J]. 貴州電力技術(shù)，2015（07）.

[2] 張萌 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷發(fā)熱分析與處理[J].中國設(shè)備工程，2019（09）.

[3] 梁英 水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)及碳刷熱成像在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].中國設(shè)備工程，2019（23）.

作者簡介：李勇（1985-），大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)就職于東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，主要從事電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用相關(guān)工作，Email：liyong1751@163.com