水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)碳刷系統(tǒng)在線監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

1、 水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)碳刷系統(tǒng)在線監(jiān)測方案設(shè)計(jì) 摘要 ：集電環(huán)碳刷系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)的重要組成部分，也是故障高發(fā)的難點(diǎn)、痛點(diǎn)系統(tǒng)。其在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求強(qiáng)烈。文章通過對(duì)集電環(huán)碳刷系統(tǒng)相關(guān)變量的梳理，及關(guān)鍵監(jiān)測量的監(jiān)測方式進(jìn)行了探索研究，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了集電環(huán)碳刷在線監(jiān)測系統(tǒng)的方案選型，以期對(duì)水電站業(yè)主解決相關(guān)問題提供支持。關(guān)鍵詞：集電環(huán) 碳刷 直流 溫度 在線監(jiān)測0. 前言集電環(huán)碳刷系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)的重要組成部分，扮演著勵(lì)磁電流由靜止部分向旋轉(zhuǎn)部分傳遞通道的重要角色。長期以來，該系統(tǒng)故障高發(fā)，是困擾穩(wěn)定電站運(yùn)行的主要難點(diǎn)。如何構(gòu)建一套高性能的集電環(huán)碳刷在線監(jiān)測系統(tǒng)，是水電廠智慧化建設(shè)中，消除監(jiān)測

2、盲點(diǎn)的重要工作。1. 集電環(huán)碳刷系統(tǒng)簡介水輪發(fā)電機(jī)普遍采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，安裝在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變及之后的可控硅整流裝置為發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的直流勵(lì)磁電流提供來源。上述設(shè)備均為靜止部件，而提供主磁通的勵(lì)磁繞組安裝在轉(zhuǎn)子外圓。勵(lì)磁電流通過勵(lì)磁繞組時(shí)，產(chǎn)生穩(wěn)定的靜止磁場。機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，該磁場以轉(zhuǎn)速頻率旋轉(zhuǎn)，與定子繞組交鏈，從而在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。勵(lì)磁電流能否穩(wěn)定的從靜止的可控硅裝置傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)的勵(lì)磁繞組，是發(fā)電機(jī)是否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵前提條件。集電環(huán)碳刷系統(tǒng)一般由集電環(huán)碳刷，導(dǎo)電環(huán)，集電環(huán)等部分構(gòu)成。其中，導(dǎo)電環(huán)、碳刷為靜止部件，集電環(huán)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。集電環(huán)與碳刷緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)電流在靜

3、止、旋轉(zhuǎn)部件之間的傳輸。2. 集電環(huán)碳刷系統(tǒng)在線監(jiān)測方案設(shè)計(jì)2.1 集電環(huán)碳刷系統(tǒng)監(jiān)測方式的現(xiàn)狀及在線監(jiān)測的必要性目前，集電環(huán)碳刷系統(tǒng)的檢測主要通過離線、人工巡檢的方式。按照電站常規(guī)運(yùn)維規(guī)定的要求，每班至少對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷進(jìn)行三次巡檢和測溫、測電流。一方面，巡檢工作量非常大，需記錄數(shù)據(jù)量大，嚴(yán)重依靠巡檢人員的責(zé)任心；另一方面，巡檢工作需要在帶電工況下進(jìn)行，存在一定的安全隱患；最后，人工的巡檢過程所獲取的數(shù)據(jù)存在較大的時(shí)間跨度，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備在某一時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)。鑒于上述狀況，構(gòu)建一套集電環(huán)碳刷系統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)評(píng)估該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)異常情況提供預(yù)警，非常必要。2.2 集電環(huán)碳刷系統(tǒng)的監(jiān)

4、測需求分析對(duì)集電環(huán)碳刷系統(tǒng)相關(guān)的物理量進(jìn)行梳理：輸入信號(hào)中的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。集電環(huán)相關(guān)參數(shù)、碳刷相關(guān)的特性參數(shù)、彈簧壓力等數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，機(jī)組設(shè)計(jì)制造完成后即確定，可以作為常數(shù)固化在系統(tǒng)中。擾動(dòng)信號(hào)中的相關(guān)變量，均可以在電站現(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)中獲取。噪聲信號(hào)，針對(duì)每臺(tái)機(jī)組會(huì)有所不同，主要影響系統(tǒng)的測量精度。建議在軟件層面規(guī)劃相關(guān)的濾波算法解決，監(jiān)測方案中不作為重點(diǎn)考慮。輸出信號(hào)是監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)成熟度和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性，借鑒現(xiàn)有人工檢測的變量選擇，將集電環(huán)碳刷溫度、碳刷電流、碳刷磨損量作為重點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)。集電環(huán)磨損量出現(xiàn)突變的

5、概率非常低，且監(jiān)測實(shí)現(xiàn)難度大，暫不作為重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。2.3 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)2.3.1 集電環(huán)碳刷電流監(jiān)測集電環(huán)碳刷電流為直流電流。根據(jù)碳刷的使用要求，單個(gè)碳刷的負(fù)載電流取值范圍為20100a?，F(xiàn)階段，電站單個(gè)碳刷電流的測量方式主要有兩種：一種是采用鉗式電流表人工監(jiān)測；一種是外接分流器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。第一種方法難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測；第二種方法，雖然可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，但安裝調(diào)整難度大，難以大范圍推廣。綜合考慮測量精度和安裝的便利性，采用霍爾電流互感器實(shí)施勵(lì)磁電流的在線監(jiān)測。該類型傳感器為成熟產(chǎn)品，普遍使用在屏柜等部分直流電流的測量。另外，為了保證系統(tǒng)安全性，需要對(duì)每個(gè)碳刷的電流進(jìn)行監(jiān)測，因此，霍爾傳感器

6、結(jié)構(gòu)尺寸需要盡可能小。進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)常調(diào)研，尋找到一種結(jié)構(gòu)尺寸足夠小的產(chǎn)品。該變量的監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)。2.3.2 集電環(huán)碳刷溫度在線監(jiān)測集電環(huán)碳刷的運(yùn)行溫度是該系統(tǒng)是否可靠運(yùn)行性的關(guān)鍵性指標(biāo)?？梢圆捎弥苯訙y量方式，也可以通過其緊密接觸件的溫度測量間接反映?，F(xiàn)階段，考慮碳刷為帶電部件，其溫度監(jiān)測采用非接觸式的紅外監(jiān)測方式。但由于集電環(huán)碳刷圓周均勻布置，且遮擋物較多，紅外攝像頭的布置數(shù)量需要較多；另外，由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，振動(dòng)幅值大、油霧污染大，紅外攝像頭的使用壽命普遍較短。需要尋求一種檢測精度高、成本低廉的監(jiān)測方式。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方式有熱電阻、熱電偶等。碳刷為靜止部件，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方式是可行的。從測量

7、靈敏度考慮，選用熱電偶方式為碳刷溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測方式。熱電偶的安裝位置可以是在碳刷本體，也可在于碳刷緊密接觸的部件上。有個(gè)別廠家將熱電偶安裝在刷盒本體，使用刷盒溫度間接反映碳刷本體的溫度。這一方式安裝簡單，對(duì)碳刷本體沒有影響，但測量準(zhǔn)確度未得到過驗(yàn)證。2.3.3 碳刷磨損量監(jiān)測集電環(huán)碳刷的使用過程就是它的磨損過程。當(dāng)碳刷磨損量接近其磨損極限時(shí)，就需要對(duì)碳刷進(jìn)行整體更換 。另外，碳刷的磨損速率也會(huì)對(duì)集電環(huán)碳刷系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境有較大的影響。較大的磨損量會(huì)產(chǎn)生較多的碳粉粉塵，碳粉粉塵的堆積會(huì)造成集電環(huán)碳刷系統(tǒng)的污染，甚至造成絕緣短路，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全。碳刷磨損量的監(jiān)測手段較多，如光學(xué)方式、物理位

8、移監(jiān)測等。但由于運(yùn)行時(shí)，碳刷擺度較大，遠(yuǎn)大于其單位時(shí)間內(nèi)的磨損量。因此，碳刷磨損量監(jiān)測的準(zhǔn)確性非常差。因此，不對(duì)其實(shí)時(shí)磨損量進(jìn)行監(jiān)測，只對(duì)其磨損極限進(jìn)行提示，即輸出位開關(guān)量。2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證模擬電站實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)上述監(jiān)測方式進(jìn)行驗(yàn)證：圖1 試驗(yàn)裝置示意圖滑環(huán)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為500rpm，與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)運(yùn)行的線速度相當(dāng)。碳刷及刷盒、彈簧采用電站實(shí)際產(chǎn)品。試驗(yàn)結(jié)果見下表：碳刷編號(hào)12345678正極刷盒溫度（）4025292626293825碳刷溫度（）4243444445484247碳刷電流（a）77.284.087.985.282.655.267.698.9負(fù)極刷盒溫度（）574037

9、3034424446碳刷溫度（）5762544353495056碳刷電流（a）89.099.062.955.764.266.166.676.1試驗(yàn)結(jié)果表明，上述監(jiān)測方式是可行的，可以實(shí)現(xiàn)集電環(huán)碳刷系統(tǒng)關(guān)鍵變量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可行的。3. 結(jié)語集電環(huán)碳刷系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)的重要組成組成部分，其安全可靠運(yùn)行對(duì)水輪發(fā)電機(jī)具有重要意義。隨著監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建一套安全可靠的集電環(huán)碳刷系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。該系統(tǒng)的構(gòu)建綜合考慮了測量的可行性和成本壓力，可以快速是水電廠進(jìn)行推廣和部署。這將大力推進(jìn)電站智能運(yùn)維的進(jìn)展，加速智慧化電廠建設(shè)的進(jìn)程。參考文獻(xiàn)：1 胡成文 龍建立 某水電站發(fā)電機(jī)組碳刷的分布式無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 云南水力發(fā)電2 梁英 萬慶 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 研究與探索.監(jiān)測與診斷3 胡慶雄 屈文峰 王勤 大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷過熱原因分析與預(yù)防處理 中國水能及電氣化4