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(jié)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(shù)的發(fā)展需求，因此，亟須采取數(shù)字化、智能化的技術(shù)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(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)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(shè)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(shè)的具體舉措，馬馬崖分公司專門設(shè)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(shù)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(jié)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(guān)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(jié)合設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)

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(gòu)，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(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)計

6.1 熱像儀主要技術(shù)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(shù)參數(shù)要求如表1所示。

表1 熱像儀主要技術(shù)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(shè)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(shè)定溫差與溫度閾值報警。

7 機罩安裝方案設(shè)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(jié)合水電站刷握結(jié)構(gòu)特點，熱像儀通過專門設(shè)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(shè)計示意圖如圖3所示。

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

根據(jù)現(xiàn)場條件，設(shè)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(shè)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(cè)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(shè)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(cè)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(shè)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(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)子表面、封母外殼、母線、變壓器等一次設(shè)備以及水泵、氣機、風機等輔助設(shè)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。