李 勇，鐸 良，張春莉，馬智文

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

1 概述

近些年，我國(guó)新能源快速發(fā)展，電力系統(tǒng)逐步形成以高比例新能源為主要特征的新型電力系統(tǒng)。新型分布式調(diào)相機(jī)，能夠就地靈活地提升新能源場(chǎng)站的短路容量、動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)避免風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電設(shè)備的脫網(wǎng)，提高新能源廠站匯集地區(qū)的電壓、頻率穩(wěn)定性具有非常明顯的作用[1]，是保障新能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于調(diào)相機(jī)來(lái)說(shuō)，碳刷和集電環(huán)是其重要組成部分，其工作狀況直接關(guān)系到機(jī)組的安全運(yùn)行。通常情況下，人工定期巡檢調(diào)相機(jī)碳刷室，這種模式效率低下、無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。

目前新型分布式調(diào)相機(jī)（包括熱電發(fā)電機(jī)）配置有軸瓦、鐵心繞組等溫度，軸瓦、軸承座等振動(dòng)，匝間短路，軸電壓，軸電流等監(jiān)視、保護(hù)信號(hào)。分布式調(diào)相機(jī)碳刷室結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小，對(duì)于其在線監(jiān)測(cè)缺乏成熟、穩(wěn)定的解決方案。本體提出一種用于分布式調(diào)相機(jī)碳刷室在線監(jiān)測(cè)的解決方案。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 設(shè)計(jì)思路

2.1.1 安全穩(wěn)定、可靠性高

碳刷磨損和電流分別采用非接觸式的電容傳感器和霍爾傳感器，不在碳刷電流主回路上安裝，無(wú)安全隱患。通信方式采用無(wú)線傳輸，能夠適應(yīng)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境。

2.1.2 功能齊全、配置靈活

本方案能夠?qū)崿F(xiàn)碳刷磨損量、碳刷電流、碳刷溫度以及集電環(huán)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選配。

2.1.3 通用性強(qiáng)、可操作性高

碳刷采用通用型號(hào)、無(wú)需特殊定制，刷握能夠保持原有結(jié)構(gòu)，對(duì)于新建和改造機(jī)組適應(yīng)性良好。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)由碳刷采集單元、集中器、中繼器、集電環(huán)熱成像傳感器、監(jiān)控主機(jī)及遠(yuǎn)程顯示等構(gòu)成（如圖1）。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)軟件功能包括：主控畫面、磨損監(jiān)測(cè)、電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、視頻監(jiān)視、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)警監(jiān)視等。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 碳刷磨損監(jiān)測(cè)

碳刷磨損監(jiān)測(cè)采用電容原理實(shí)現(xiàn)：在刷握上構(gòu)建可變電容，碳刷為良好的導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)碳刷磨損后其長(zhǎng)度發(fā)生變化，碳刷原來(lái)的部分位置變成了空氣介質(zhì)。對(duì)電容而言原來(lái)良好的導(dǎo)電介質(zhì)碳刷變成了絕緣的空氣介質(zhì)，其電容的大小將發(fā)生變化，外部監(jiān)測(cè)裝置可據(jù)此判定碳刷的剩余長(zhǎng)度，原理示意（如圖2）。

圖2 碳刷磨損監(jiān)測(cè)原理圖

在實(shí)際的運(yùn)行中周圍的溫度、空氣介質(zhì)及其他的環(huán)境因素都會(huì)影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。信號(hào)處理采用差分原理就能很好的解決這一問(wèn)題。

方案特點(diǎn)：安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度可控，無(wú)需改變碳握的原有結(jié)構(gòu)。

2.3.2 碳刷電流監(jiān)測(cè)

機(jī)組通過(guò)碳刷、集電環(huán)等形成勵(lì)磁電流回路，該電流信號(hào)理論上是直流，常用的電流互感器不能用于碳刷勵(lì)磁電流的檢測(cè)。本系統(tǒng)采用一體式霍爾電流傳感器來(lái)測(cè)量碳刷電流。

將霍爾傳感器安裝在刷辮上面。電流會(huì)在傳感器內(nèi)產(chǎn)生磁通，與次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行平衡，保持總體磁通為零，然后通過(guò)放大濾波電路將信號(hào)調(diào)理到CPU 可以采集的信號(hào)范圍，通過(guò)CPU 內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)化器將模擬信號(hào)變化成數(shù)值量信號(hào)[2]，從而實(shí)現(xiàn)碳刷電流監(jiān)測(cè)。

方案特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬、線性度高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不改變碳握結(jié)構(gòu)。

2.3.3 碳刷、集電環(huán)溫度監(jiān)測(cè)

（1）碳刷溫度監(jiān)測(cè)

碳刷的工作狀態(tài)測(cè)溫范圍為常溫至200℃，溫度測(cè)量傳感器須耐受更高溫度沖擊，采樣精度指標(biāo)要求不需要很高（一般±2℃即可），但對(duì)于測(cè)溫穩(wěn)定性能的要求較高。因此，本方案采用熱電偶作為碳刷溫度采集傳感器。

需要注意的是傳感器需要與碳刷接觸良好，使兩者達(dá)到熱平衡，從而更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)碳刷溫度監(jiān)測(cè)。

方案特點(diǎn)：測(cè)量范圍廣、成本低、穩(wěn)定性和均勻性較好。

（2）集電環(huán)溫度監(jiān)測(cè)

集電環(huán)在工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，須采用非接觸式傳感器。紅外成像是實(shí)現(xiàn)非接觸式溫度監(jiān)測(cè)的有效手段。

分布式調(diào)相機(jī)碳刷室結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小，紅外成像傳感器的安裝位置對(duì)實(shí)現(xiàn)集電環(huán)溫度監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

方案特點(diǎn)：被動(dòng)式溫度熱像監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)單方便；響應(yīng)速度快；可實(shí)現(xiàn)大面積快速掃描成像；數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)空間要求高。

2.3.4 綜合診斷報(bào)警分析、報(bào)警

碳刷的主要工作狀態(tài)特征是電流、溫度和磨損量。系統(tǒng)可以對(duì)單個(gè)刷握中每個(gè)碳刷的電流進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中電流分布的異常狀況，判斷出碳刷的早、中期異常。通過(guò)對(duì)運(yùn)行的溫度和長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合碳刷電流運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)碳刷的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，可診斷中后期故障并發(fā)出報(bào)警。為碳刷的更換和刷握維護(hù)提供可靠、可信依據(jù)。

3 廠內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用

3.1 廠內(nèi)真機(jī)試驗(yàn)

2020 年10 月，基于某熱電項(xiàng)目對(duì)碳刷室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了真機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)在機(jī)組空載及短路試驗(yàn)工況下進(jìn)行。本次試驗(yàn)主要項(xiàng)目包括碳刷磨損、碳刷電流及溫度監(jiān)測(cè)、報(bào)警以及系統(tǒng)無(wú)線傳輸裝置的抗干擾能力測(cè)試。

試驗(yàn)前，將4 組測(cè)試刷握共計(jì)16 個(gè)碳刷和其他刷握一并安裝到刷架上。其中1-1 碳刷長(zhǎng)度為63 mm，2-1 碳刷長(zhǎng)度為61 mm，3-1 碳刷長(zhǎng)度為59 mm，其余碳刷長(zhǎng)度為90 mm。短路特性試驗(yàn)時(shí)，逐段增加勵(lì)磁電流，過(guò)程中對(duì)各狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄和比對(duì)，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

表1 短路特性試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)廠內(nèi)真機(jī)試驗(yàn)，碳刷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在空轉(zhuǎn)、空載、短路溫升等不同工況下連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確顯示各碳刷電流、溫度和剩余長(zhǎng)度等信息，數(shù)據(jù)采集、分析及無(wú)線傳輸均正常，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期目的。

3.2 工程應(yīng)用

2023 年初，本套碳刷室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在東方電機(jī)配套的某分布式調(diào)相機(jī)站投運(yùn)，系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)吻合，運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)效果良好。

通過(guò)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)相機(jī)的碳刷溫度、碳刷磨損、系統(tǒng)電池電壓等信息，系統(tǒng)主畫面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主畫面

系統(tǒng)支持查閱歷史數(shù)據(jù)，并以曲線圖形顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)變化。以1 號(hào)碳刷磨損為例：該碳刷1月1 日的初始化長(zhǎng)度為90 mm，1 月8 日機(jī)組開(kāi)始啟動(dòng)，剩余長(zhǎng)度為89.093 mm；1 月18 日碳刷剩余長(zhǎng)度83.659 mm；到1 月30 日時(shí)，碳刷剩余長(zhǎng)度為80.351 mm。通過(guò)圖4 趨勢(shì)圖，可以直觀的看到碳刷剩余長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)，一個(gè)月磨損了10 mm。

圖4 1 號(hào)碳刷剩余長(zhǎng)度趨勢(shì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化、智能化發(fā)展，以及無(wú)人值守運(yùn)行模式的需求，用戶對(duì)碳刷室在線監(jiān)測(cè)需求十分迫切。傳統(tǒng)的人工目視、手持儀器定期巡檢存在運(yùn)維量大、須接近高速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)組、采集數(shù)據(jù)不連續(xù)、無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故先兆等缺點(diǎn)。本文提出的碳刷室在線監(jiān)測(cè)方案能夠有效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)新型分布式調(diào)相機(jī)碳刷室在線監(jiān)測(cè)，記錄碳刷的磨損量、溫度及電流等變化趨勢(shì)，提前發(fā)出預(yù)警，為機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

本系統(tǒng)功能齊全、安全穩(wěn)定、性價(jià)比高，可在新建新型分布式調(diào)相機(jī)（包括大調(diào)相機(jī)、熱電機(jī)組、水電機(jī)組）推廣應(yīng)用。同時(shí)，本系統(tǒng)不改變刷握原有結(jié)構(gòu)、安裝方便，也可在已投運(yùn)的新型分布式調(diào)相機(jī)（包括大調(diào)相機(jī)、熱電機(jī)組）進(jìn)行改造推廣。