劉安國，詹 飛，朱允籌，潘偉峰

（1.貴州黔源電力股份有限公司馬馬崖分公司，貴州省貴陽市 550002；2.南瑞集團有限公司，江蘇省南京市 210003）

0 引言

碳刷作為水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的重要部件，數(shù)量眾多，長期處于持續(xù)磨損和高溫工作環(huán)境中運行，其電氣參數(shù)會發(fā)生較大變化，進而導致碳刷與滑環(huán)接觸面產(chǎn)生較大溫升，且同一發(fā)電機的單個碳刷參數(shù)變化不一致導致的負載電流失衡將會引起滑環(huán)發(fā)熱，甚至發(fā)生碳刷起火招致意外停機的重大損失。

目前，利用手持紅外成像儀[1]測量發(fā)電機碳刷、滑環(huán)的溫度已成為大型電廠較為實用和常用的測溫方法，但存在以下問題：

（1） 每次人工測量由于測量距離、測量角度的不同必然造成測溫結果的誤差；

（2） 人工測量采用定時巡檢的方式進行，巡檢間隔長，不能做到碳刷溫度過高的及時測量與預警；

（3） 人工測量數(shù)據(jù)不連續(xù)，不利于對碳刷溫度變化趨勢進行分析。

顯然，上述采用人工巡檢進行發(fā)電機碳刷、滑環(huán)溫度及狀態(tài)監(jiān)測的方式已不適應當前“無人值班、少人值守”水電站及智能水電廠[2]智能巡檢[3]技術的發(fā)展需求，因此，亟須采取數(shù)字化、智能化的技術手段，對水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的碳刷和滑環(huán)溫度進行7×24h不間斷的在線監(jiān)視與故障預警。

1 概述

馬馬崖一級水電站為北盤江干流（茅口以下）規(guī)劃梯級的第二級，屬二等大（2）型工程，樞紐工程由碾壓混凝土重力壩、壩身開敞式溢流表孔、壩身放空底孔、左岸引水系統(tǒng)及左岸地下廠房等主要建筑物組成。工程任務以發(fā)電為主，航運次之。壩址控制流域面積16068km2，多年平均流量309m3/s，下放生態(tài)流量34.1m3/s。水庫正常蓄水位585m，相應庫容1.365億m3，死水位580m，調(diào)節(jié)庫容 0.731億m3，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機容量558MW，安裝三臺單機容量為180MW的水輪發(fā)電機組和一臺18MW的生態(tài)機組。

目前，電站對發(fā)電機碳刷和滑環(huán)的狀態(tài)監(jiān)測采取定期人工巡視檢查的工作方式，由于碳刷和滑環(huán)機械結構緊湊、設備安裝空間小、運行參數(shù)實時變化，傳統(tǒng)人工巡檢很難及時發(fā)現(xiàn)設備隱患，同時這種工作方式耗時費力，且巡檢時存在一定的安全隱患。

為了解決上述問題，同時也作為中國華電集團推進“遠程診斷、少人值守”建設的具體舉措，馬馬崖分公司專門設立了“智能化熱像儀溫度監(jiān)測系統(tǒng)在水電站的研究與應用”科研課題，擬以其18MW的生態(tài)機組為研究對象，開發(fā)發(fā)電機勵磁碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過紅外熱成像[2]技術實時采集每路碳刷溫度信息和紅外圖像信息并遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測后臺，通過現(xiàn)場監(jiān)視屏和監(jiān)測服務器，代替人工巡檢，實現(xiàn)發(fā)電機碳刷表面及滑環(huán)接觸面運行溫度的連續(xù)在線監(jiān)測及報警，及時發(fā)現(xiàn)碳刷及滑環(huán)溫度過高的事故隱患，解放勞動生產(chǎn)力；同時，系統(tǒng)結合監(jiān)控系統(tǒng)采集的勵磁電流等工況參數(shù)，實現(xiàn)與碳刷溫度的相關計算、分析和每個碳刷之間的電氣參數(shù)的差異性統(tǒng)計；再結合設備運行環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)碳刷局部過熱、放電及短路等的提前預警，為碳刷的提前預防維護提供直接判斷依據(jù)，從而減少意外停機并提高設備利用率，為電廠預測性維護和狀態(tài)檢修[3]提供決策建議。

2 設計原則

基于用戶的生產(chǎn)及工藝要求，整個發(fā)電機勵磁碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)對穩(wěn)定性、維護性及可擴展性要求較高，其設計原則如下：

（1）系統(tǒng)安全性高，不產(chǎn)生安全事故；

（2）系統(tǒng)維護簡單方便；

（3）系統(tǒng)能夠擴展性好，能對數(shù)據(jù)進行分析；

（4）系統(tǒng)穩(wěn)定性高，能夠在目前工況情況下長期穩(wěn)定運行。

3 設計需求

馬馬崖電站發(fā)電機勵磁碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)需要對每個碳刷溫度、機罩環(huán)境溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計功能，通過選擇機罩、碳刷以及時間范圍來查詢碳刷溫度、機罩環(huán)境溫濕度的歷史數(shù)據(jù)，并能以曲線方式更直觀地顯示數(shù)據(jù)的走向與分布情況。

統(tǒng)計內(nèi)容包括：

（1） 碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度的日平均值、最大值、最小值，曲線及圖表；

（2） 碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度的月平均值、最大值、最小值，曲線及圖表；

（3） 碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度的季平均值、最大值、最小值，曲線及圖表；

（4） 任意時間段內(nèi)碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度平均值、最大值、最小值，曲線及圖表。

通過分析這些基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)，為發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)的運行維護等工作提供重要依據(jù)。

4 系統(tǒng)結構

馬馬崖電站發(fā)電機勵磁碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、防護裝置、濕度探測器、監(jiān)視器、工控主機等組成，集紅外溫度監(jiān)測紅外視頻監(jiān)控、實時溫度曲線、溫度分析、預警等功能于一體。為了保障長期穩(wěn)定運行，紅外熱像儀安裝于防護裝置內(nèi)。

作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心，紅外熱像儀采用以低功耗高性能主控架構，主控對整個紅外熱成像的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)通信等功能進行控制和處理，軟件對獲取的溫度進行實時分析計算處理，用戶在中控室的匯控屏上進行遠程監(jiān)測，及時掌握設備狀態(tài)和預警信息。

系統(tǒng)通過紅外熱像儀采集發(fā)電機勵磁每個碳刷溫度及電流，但發(fā)電機機罩內(nèi)空間較小，勵磁碳刷數(shù)量多（共30個碳刷），且分布為 2 層圓形布置（勵磁正負極端各布置15只，170°半圓形分布），因此需要6個紅外熱像儀才能實現(xiàn)全部碳刷溫度的完整采集。同時，為避免發(fā)電廠強磁場環(huán)境中對紅外圖像信息傳輸?shù)挠绊?，以及實現(xiàn)紅外視頻高速傳輸，整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用光纖通信，將采集到的碳刷數(shù)據(jù)信息以光纖通道傳輸至監(jiān)測服務器，實現(xiàn)可靠的遠程在線監(jiān)測，并在監(jiān)測后臺對采集到的碳刷紅外圖像進行識別和處理分析，并實現(xiàn)溫度報警出口決策。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖Figure 1 System structure diagram

5 系統(tǒng)功能

（1）在發(fā)電機機罩內(nèi)部使用紅外成像和可見光成像二合一傳感器，實現(xiàn)非接觸式采集碳刷溫度紅外圖像信息和碳刷運行圖像信息，并同時使用溫濕度傳感器采集機罩內(nèi)部環(huán)境溫濕度。

（2）通過光纖數(shù)據(jù)傳輸將碳刷的紅外圖像、可見圖像和機罩環(huán)境溫濕度送至監(jiān)控后臺，在監(jiān)控后臺對上傳的圖像進行智能識別和分析，自動識別每一個碳刷溫度的分布情況，實現(xiàn)碳刷溫度的遠程實時監(jiān)測，并生成碳刷溫度巡檢報告。

（3）對識別到的碳刷溫度分布情況，并結合環(huán)境溫濕度和機組工況（負荷、勵磁電流等）等進行智能分析，及時發(fā)現(xiàn)碳刷滑環(huán)系統(tǒng)缺陷，自動告警并生成發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)故障診斷報告。

（4）提供碳刷溫度及電流在線監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。實現(xiàn)對每個碳刷溫度及電流監(jiān)測數(shù)據(jù)、機罩環(huán)境溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計，通過選擇機罩、碳刷及時間來查詢碳刷溫度、機罩環(huán)境溫濕度歷史數(shù)據(jù)，并以曲線的方式進行顯示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計內(nèi)容包括：

1）碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度的日平均值、最大值、最小值曲線及圖表；

2）碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度的月平均值、最大值、最小值曲線及圖表；

3）碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度的季平均值、最大值、最小值曲線及圖表；

4）任意時間段內(nèi)碳刷溫度與機罩環(huán)境溫濕度平均值、最大值、最小值曲線及圖表。

6 紅外熱像儀設計

6.1 熱像儀主要技術參數(shù)

紅外熱像儀用于實現(xiàn)對現(xiàn)場運行工況的熱像圖像信號的采集和處理，包括紅外成像及數(shù)據(jù)輸出。其主要技術參數(shù)要求如表1所示。

表1 熱像儀主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of thermal imager

6.2 熱像儀鏡頭主要參數(shù)

功能：采集紅外光譜，成像于紅外熱像儀。熱成像鏡頭根據(jù)鏡片波長規(guī)格，阻擋過濾可見光通過的同時允許紅外線通過，可以在可見光紅外線混合的光線環(huán)境中將紅外效果分離出來，然后在CCD上成像。其外觀圖如圖2所示。

圖2 紅外熱像儀鏡頭外觀圖Figure 2 Appearance of infrared thermal imager lens

鏡頭類型：4mm F1.2；

聚焦類型：無熱化；

視場角（水平×垂直）：90.3°×60.7°。

6.3 紅外熱成像專用測量與分析軟件功能

（1）圖像顯示。多相機圖像顯示；動靜態(tài)畫面拍攝，熱像視頻監(jiān)控；溫度圖像的記錄與回放；硬盤存儲方式儲存任意時刻或時段溫度圖像，歷史視頻數(shù)據(jù)存儲30天，歷史溫度數(shù)據(jù)存儲1年。

（2）圖像測溫。多區(qū)域并行測溫，實時顯示各區(qū)域最高、最低和平均溫度；能夠提供測溫區(qū)域直線上的最高溫度、最低溫度及平均溫度分析；提供測溫區(qū)域矩形、多邊形、（橢）圓形、最高溫度、最低溫度及平均溫度分析；任意點溫選測量，鼠標位置跟隨溫度顯示；自動顯示溫度圖像最高、最低和平均溫度；發(fā)射率設置。

（3）趨勢分析。在線監(jiān)測各個區(qū)域的溫度均差；實時顯示并存儲多區(qū)域或多點溫度曲線；實時顯示并存儲整體最高溫、最低溫和平均溫度曲線；可設定溫差與溫度閾值報警。

7 機罩安裝方案設計

由于單只碳刷的額定電流密度有限，而現(xiàn)代大中型水輪發(fā)電機組的勵磁電流數(shù)值很大，發(fā)電機組的碳刷數(shù)量較多，而每個熱像儀受其視場角限制，需要6組嵌入式熱像儀來實現(xiàn)全景碳刷溫度監(jiān)測。

考慮到傳感器布置后不影響運行中的碳刷維護，結合水電站刷握結構特點，熱像儀通過專門設計的支架固定于機罩內(nèi)壁上方，鏡頭對準碳刷，每個熱像儀的電纜接入到位于機罩內(nèi)壁的匯聚盒。其安裝設計示意圖如圖3所示。

圖3 嵌入式熱像儀機罩安裝設計圖Figure 3 Installation design diagram of embedded infrared thermal imager hood

根據(jù)現(xiàn)場條件，設計了兩種現(xiàn)場安裝方式供選：

第一種：監(jiān)測上排電刷的紅外熱成像設備通過焊接或打孔固定在空間的頂部，監(jiān)測下排電刷的紅外相機安裝在側面，通過打孔螺栓固緊。這種安裝方式中，上部分紅外相機與豎直方向的夾角比較小，能夠更全面監(jiān)測碳刷的溫度值，不足之處在于安裝方式有困難，頂部打孔條件難以具備，焊接粘貼方式不可靠，有掉落產(chǎn)生生產(chǎn)事故的安全隱患。

第二種：監(jiān)測上排電刷的紅外熱成像設備通過打孔固定在空間豎直與頂部交接的金屬殼體上，監(jiān)測下排電刷的紅外相機安裝在側面，通過打孔螺栓固緊。這種方式上部的紅外相機與豎直方向夾角較大，監(jiān)測碳刷溫度的效果相比較第一種要差一些，但也能夠監(jiān)測到碳刷的溫度與變化，這種安裝方式相比較更加穩(wěn)定可靠，難以產(chǎn)生事故。

基于安全可靠的首要原則，經(jīng)過綜合比選，最終采用第二種安裝方式。

8 系統(tǒng)預期成效

發(fā)電機勵磁碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)后臺與嵌入式熱像儀采用光纖網(wǎng)絡通信，后臺主要包括監(jiān)控中心、報警管理、設備管理、用戶管理、日志管理等模塊，對不同種類的監(jiān)測數(shù)據(jù)以多維度、多展示形式的方法對多種類型信息進行綜合展現(xiàn)，用戶可以查看到更加詳細或更加精準時間范圍的統(tǒng)計信息。系統(tǒng)紅外成像效果如圖4所示，碳刷溫度監(jiān)測效果如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)紅外熱成像效果示意圖Figure 4 Schematic diagram of infrared thermal imaging effect of the system

圖5 系統(tǒng)碳刷溫度監(jiān)測效果圖Figure 5 Effect drawing of system carbon brush temperature monitoring

9 結語

目前，馬馬崖電站發(fā)電機勵磁碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)已完成紅外熱像儀的現(xiàn)場安裝和調(diào)試，下一步重點工作是完成與電站統(tǒng)一設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)和功能聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)投運后，將從根本上改變目前馬馬崖電站對碳刷和滑環(huán)采取的定期人工巡檢工作方式，將碳刷溫度監(jiān)測預警納入現(xiàn)有電站設備在線監(jiān)測的范疇，以緩解現(xiàn)場運行值班人員的工作強度，并降低設備安全隱患，可推廣至其他水電站勵磁系統(tǒng)的智能巡檢工作中。同時，系統(tǒng)的研制，也將填補熱成像及視頻在水電站巡檢系統(tǒng)研究及應用上的空白，項目科研成果還可推廣應用至發(fā)電機定子線圈端部、轉子表面、封母外殼、母線、變壓器等一次設備以及水泵、氣機、風機等輔助設備表面溫度及視頻的智能巡檢工作中，這也是智能水電廠的核心體現(xiàn)之一。