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(jī)的磁場(chǎng)一般都是通過(guò)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(guò)碳刷滑環(huán)引入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組中的。因此，碳刷滑環(huán)是發(fā)電機(jī)組進(jìn)行正常發(fā)電必不可少的一部分。碳刷滑環(huán)運(yùn)行狀況的好壞直接影響著發(fā)電機(jī)運(yùn)營(yíng)的安全，而目前發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)還是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，各大電廠對(duì)碳刷滑環(huán)的監(jiān)測(cè)一般是通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓等參數(shù)的檢測(cè)來(lái)判斷其運(yùn)行狀況，實(shí)際上在事故發(fā)生的前期，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，由于勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)控、勵(lì)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(shí)，事故已經(jīng)非常嚴(yán)重了。這類(lèi)由發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)故障引起的發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī)事故，造成的非計(jì)劃內(nèi)停機(jī)事故在國(guó)內(nèi)各大電廠內(nèi)每年都會(huì)發(fā)生，對(duì)發(fā)電企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)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(jī)碳刷滑環(huán)系統(tǒng)起到導(dǎo)流的重要作用，是發(fā)電機(jī)組中滑動(dòng)部件與靜止部件直接接觸的重要部位，碳刷通過(guò)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(dòng)摩擦，摩擦本身會(huì)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(huì)增加其表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)，而摩擦力增加，發(fā)熱量也相對(duì)增加。碳刷是一個(gè)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(jī)碳刷出現(xiàn)卡澀、受力不均、接觸面積小等情況時(shí)，會(huì)造成每個(gè)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(gè)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(gè)惡性循環(huán)，如得不到及時(shí)處理，最終可能導(dǎo)致環(huán)火、非計(jì)劃停機(jī)事故[1]。

碳刷滑環(huán)在發(fā)生事故前期都會(huì)伴隨著溫度的變化，單個(gè)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(guò)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(guò)小、恒壓彈簧的壓力過(guò)低、碳刷與刷握之間出現(xiàn)卡澀等原因，造成其分擔(dān)的勵(lì)磁電流過(guò)小，而其他碳刷分擔(dān)的電流將會(huì)加大，在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也容易引發(fā)事故。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)在保障機(jī)組的安全運(yùn)行中有著至關(guān)重要的作用。

2 現(xiàn)有測(cè)溫方案對(duì)比

通過(guò)對(duì)多家發(fā)電廠的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)電廠對(duì)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁碳刷滑環(huán)的溫度監(jiān)測(cè)都是通過(guò)人工點(diǎn)巡檢的方式。人工點(diǎn)巡檢測(cè)溫是按照特定的標(biāo)準(zhǔn)，按時(shí)使用點(diǎn)溫槍或者手持紅外熱像儀，對(duì)設(shè)備的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢查測(cè)溫。點(diǎn)巡檢主要是依靠巡檢人員長(zhǎng)期累積的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷設(shè)備的運(yùn)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(yán)重故障，再到發(fā)生環(huán)火事故過(guò)程往往只有十幾到幾十分鐘，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題[2]；巡檢人員態(tài)度是否認(rèn)真，能否每次巡檢到各個(gè)隱蔽角落，能否全面檢查發(fā)電機(jī)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(bào)告多數(shù)由紙質(zhì)版表格保存，巡檢人員能否詳細(xì)記錄巡檢時(shí)間、巡檢內(nèi)容；巡檢人員的不同，可能會(huì)導(dǎo)致巡檢報(bào)告內(nèi)容不統(tǒng)一，對(duì)同一問(wèn)題現(xiàn)象的描述五花八門(mén)。

在調(diào)查中，也發(fā)現(xiàn)有部分電廠在發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)系統(tǒng)中，使用紅外線進(jìn)行測(cè)溫。紅外線測(cè)溫采用有線式連接，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的非接觸式測(cè)溫。在碳刷滑環(huán)中進(jìn)行應(yīng)用，可以對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行24h的在線監(jiān)測(cè)，但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)紅外線測(cè)溫有許多問(wèn)題無(wú)法克服。例如，一個(gè)紅外測(cè)溫儀只能對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)于碳刷滑環(huán)這種需要大面積監(jiān)測(cè)溫度的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。若想測(cè)得每個(gè)碳刷的溫度，必須大量安裝紅外測(cè)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(huì)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(cè)溫點(diǎn)之間距離越遠(yuǎn)，測(cè)得溫度的精度越差。由于發(fā)電機(jī)組碳刷滑環(huán)的特殊性，無(wú)法在原有設(shè)備上進(jìn)行安裝紅外測(cè)溫傳感器，只能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況定制安裝支架進(jìn)行安裝，額外增加了碳刷滑環(huán)安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，而且紅外線傳感器數(shù)據(jù)通常使用4mA～20mA模擬量進(jìn)行有線傳輸，相對(duì)的數(shù)據(jù)傳輸距離較短[3]，溫度監(jiān)測(cè)顯示裝置只能放在現(xiàn)場(chǎng)，出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，巡檢人員只有到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，大大延誤了報(bào)警響應(yīng)時(shí)間；紅外線測(cè)溫顯示的數(shù)據(jù)屬于實(shí)時(shí)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(chǔ)存數(shù)據(jù)源有限，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保存，也無(wú)法為后期檢修維護(hù)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(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)輻射出電磁波，這種電磁波被稱(chēng)為熱紅外線。而這種熱紅外線處于肉眼不可見(jiàn)的光波頻段，但是幾乎自然界中的所有物體卻都在時(shí)時(shí)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(yuǎn)紅外成像。人眼對(duì)約0.4um～0.7um的波段敏感，看不到較長(zhǎng)波長(zhǎng)的熱能量。要記錄這些能量，需使用特殊的探測(cè)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(zhǎng)的光。

3.2 優(yōu)勢(shì)

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(duì)紅外熱像儀的應(yīng)用不斷增多，紅外熱像儀在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也愈來(lái)愈廣泛。紅外熱成像技術(shù)作為一個(gè)新興測(cè)溫技術(shù)，相比傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)而言，有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。例如，紅外熱成像測(cè)溫的面積非常廣，傳統(tǒng)測(cè)溫主要是針對(duì)某一點(diǎn)的測(cè)溫，如果想進(jìn)行大面積測(cè)溫，則必須使用多個(gè)傳感器進(jìn)行配合測(cè)溫。這樣也不可能兼顧所有點(diǎn)，而紅外熱成像測(cè)溫是對(duì)鏡頭可覆蓋的區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，能兼顧所有部位；紅外熱成像測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間極大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)溫方式，傳統(tǒng)如熱電偶測(cè)溫，一般通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式使得溫度傳感器的溫度發(fā)生變化，進(jìn)而計(jì)算出溫度數(shù)值，因材料的差異其響應(yīng)時(shí)間一般為秒級(jí)，而紅外熱成像測(cè)溫直接通過(guò)熱輻射電磁波進(jìn)行測(cè)溫，電磁波的傳輸速度是光速的。這樣使紅外熱像儀測(cè)溫的響應(yīng)時(shí)間通常是毫秒級(jí)別，部分熱像儀響應(yīng)時(shí)間甚至達(dá)到微秒級(jí)別；在此基礎(chǔ)之上，紅外熱成像測(cè)溫抗干擾能力極強(qiáng)，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(jìn)行測(cè)溫，而自然界中除絕對(duì)零度外任何物體都會(huì)向外發(fā)射紅外輻射能，不受電磁干擾。這個(gè)特性使紅外測(cè)溫方式具有極強(qiáng)的穿透能力，不會(huì)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(shí)，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(cè)物體輻射，經(jīng)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)軟件處理，自動(dòng)生成物體圖像?；谶@個(gè)原理，紅外熱成像系統(tǒng)24h進(jìn)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(cè)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(jī)、硬盤(pán)錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)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(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，硬盤(pán)錄像機(jī)連接交換機(jī)后進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的刻錄保存，計(jì)算機(jī)通過(guò)專(zhuān)有軟件對(duì)交換機(jī)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用后處理分析，并在顯示器上顯示出來(lái)。

發(fā)電機(jī)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(yùn)行的情況下，利用紅外熱像實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)的全面覆蓋。這樣對(duì)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(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試與后期模擬計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)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(cè)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(cè)溫的可靠性與安全性，同時(shí)也能節(jié)約一定的生產(chǎn)成本[5]。

運(yùn)行人員掌握碳刷滑環(huán)的運(yùn)行情況，除了通過(guò)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(duì)紅外熱像儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理。傳統(tǒng)測(cè)溫設(shè)備一般是通過(guò)數(shù)值對(duì)比，設(shè)置溫度閾值報(bào)警。在線式紅外熱像系統(tǒng)在閾值報(bào)警的基礎(chǔ)之上，增加了溫升速率報(bào)警與溫升趨勢(shì)報(bào)警。溫升速率報(bào)警是針對(duì)溫度上升過(guò)快的事故：例如，溫度在5min之內(nèi)上升10℃，這時(shí)雖然溫度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定閾值，但是此時(shí)設(shè)備的運(yùn)行狀況明顯異常，如不及時(shí)處理很可能造成環(huán)火事故；溫升趨勢(shì)報(bào)警是針對(duì)溫度緩慢上升的故障進(jìn)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(guò)去1h之內(nèi)上升了15℃，按當(dāng)前上升趨勢(shì)在1h之后溫度將達(dá)到125℃，會(huì)超出閾值報(bào)警值，此時(shí)發(fā)出溫升趨勢(shì)預(yù)警能盡早通知運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中能檢測(cè)到大量的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)碳刷編號(hào)、系統(tǒng)時(shí)間等信息對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸檔，形成有效的數(shù)據(jù)庫(kù)文件。系統(tǒng)通過(guò)溫度數(shù)據(jù)庫(kù)生成月度總結(jié)報(bào)表、年度總結(jié)報(bào)表等，幫助運(yùn)行人員掌握當(dāng)月、當(dāng)年碳刷滑環(huán)的整體運(yùn)行情況。同時(shí)，系統(tǒng)可采集機(jī)組運(yùn)行的勵(lì)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(guò)對(duì)碳刷溫度數(shù)據(jù)與勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出在既定勵(lì)磁電流下碳刷的理想工作溫度范圍，從而通過(guò)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(yǔ)

紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)具有響應(yīng)速度快、測(cè)溫精準(zhǔn)、測(cè)溫距離遠(yuǎn)，不受光線粉塵影響等優(yōu)勢(shì)，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(guò)溫度閾值報(bào)警、溫升速率報(bào)警、溫升趨勢(shì)報(bào)警等多重報(bào)警規(guī)則，對(duì)已發(fā)生事故提前報(bào)警，以減少事故帶來(lái)的損失；通過(guò)大數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，輔助運(yùn)行人員判斷設(shè)備的運(yùn)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(duì)發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)。