摘要：自并励励磁系统水轮发电机组在运行中，经常会出现集电环和电刷过热并产生火花等现象，严重的可能烧损集电环和电刷，甚至还有可能造成集电环正、负极短路，损坏发电机励磁系统等事故，严重影响机组安全稳定运行。随着科学技术的进步和电站自动化程度的不断提高，采用红外线温度传感器对发电机集电环装置的温度及产生的火花进行实时监测，将采集的数据进行分析判断，必要时提供相应的报警信号变得非常重要。
关键词：水轮发电机；集电环；温度；火花；监测装置
水轮发电机的集电环装置是将静止励磁装置的直流电供给发电机转子绕组的转换接口装置，通常也称换向器。它由集电环及其转轴、电刷、刷握及刷架、集电环风扇和通流系统等组成。对电站运行情况分析，集电环装置发生缺陷的次数和频率远高于其它设备，其中以碳刷过热和集电环表面打火2种缺陷最为频繁，严重的可能烧损碳刷和集电环，甚至还有可能造成集电环正、负极短路，烧毁发电机励磁系统等严重事故。以往我们对集电环装置发生缺陷的原因和维护等方面的研究较多，随着科学技术进步和水电站自动化程度的不断提高，对运行中集电环装置的实时监测也提出了更高的要求。采用红外线传感器对集电环装置进行实时监测，将采集到的数据进行综合分析、判断，提供电站监控所需的各种信号，做到对事故提前预知显得非常有必要，同时对发电机组安全运行提供又一保障。
1 水轮发电机组温度监测现状
目前，常规水轮发电机组正常运行时的温度监测大致包括以下几类：发电机定子温度、空冷器冷热风温度、轴承瓦温、轴承油温、机组冷却水温以及辅助设备的油温与水温的监测。这些温度点均是在相对静止状态下监测，在需要监测点位置设置一温度传感器，将信号传送至相应的仪表装置即可实现，因此监测方法也比较简单。对于一台正常运行的水轮发电机，其转动部件的集电环和转子的温度监测也非常重要，其重要级别并不低于发电机定子温度和轴承瓦温的监测。以往生产的大部分水轮发电机组，局限于监测技术取样的难度，未对上述2部件进行温度监测与控制。
2 集电环装置温升与产生火花的原因
2.1 集电环装置的热量与温升
自并励系统水轮发电机组正常运行时，励磁电流是通过碳刷（静止）与集电环（转动）表面接触输送到发电机转子绕阻，从而产生激磁使发电机组发电。影响集电环温度的因素很多，如集电环装置的散热、流经碳刷上励磁电流密度、励磁小室的通风等。在集电环发热总量中，集电环因自身电阻发热所占比例甚小，可以忽略，其热量主要来自两个方面，一是碳刷与集电环表面的摩擦，二是碳刷上通过的励磁电流，随着碳刷温度的整体变化，集电环温度随之将有不同程度的变化，因此集电环表面区域是热量最集中部位。
2.2 集电环表面火花
水轮发电机组在运行过程中，集电环难免会随着发电机轴摆动，由于摆动过程中碳刷和集电环环面之间的压力随着摆动的周期增大或减小。当压力减小时，二者之间的接触电阻会有所增大，当遇到集电环环面有粗糙不平的情况时，就会引起尖端放电，从而产生火花，火花会灼伤集电环环面，灼伤点周围会出现凸起，这种凸起会再次导致集电环和碳刷接触面之间的尖端放电，从而再次引起火花、再次灼伤集电环环面，如此往复导致环面损伤的恶性循环。因此，当碳刷和集电环环面之间不能充分接触，或存在跳动时，二者之间产生的火花使接触点产生瞬间高温，从而造成集电环环面的灼伤。当机械磨损越严重，电火花腐蚀出现的时间就越早，概率也越大，且其造成的集电环环面的损蚀也越严重。
3 集电环装置温度与火花测量
3.1 集电环温度测量
水轮发电机组运转过程中，集电环与发电机同轴一起转动，采用常规水轮发电机组各部位的静止式测温已不能满足技术要求。我们知道，任何物体只要它的温度高于热力学零度，就会有红外线向周围辐射，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强，红外辐射的物理本质就是热辐射。采用非接触式红外线温度传感器对集电环表面进行测量，当集电环温度升高时，探测器件则受到红外线辐射时引起温度升高，使传感器中的热敏电阻发生变化，再通过转换电路使之变成电信号输出，这样就达到了测量的目的。
红外线温度传感器测量时不与被测物体直接接触，却好符合我们测量集电环（转动）之技术需要，且传感器具有技术成熟、安装和使用方便、灵敏度高和反应快速等优点，在温度测量领域已被广泛应用。以我公司生产的某卧式水轮发电机组的集电环温度测量过程，如图1所示，其测量和使用过程只需要注意以下几点即可：
（1）控制测温目标大小与测温距离的关系。在不同距离处，可测的目标的有效直径是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。
（2）强光背景里目标的测量。若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此需用物遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。
图1 传感器布置
3.1 集电环装置火花测量
众所周知，集电环装置的火花是由于集电环面与碳刷接触面间摩擦，以及不间断的间隙放电引起的，火花产生位于集电环与碳刷的接触面间。当二者间的摩擦增大或者接触面的间隙增大时，产生火花也随之增加，反之则减小。这种火花其实就是一种电弧光，这种电弧光在产生的初期所包涵的区域很小，产生弧光也很弱。利用微弱弧光传感器进行测量，当弧光产生并燃烧时，光的强度将突然增加，弧光传感器通过光感应的变化判断弧光传感器的数值变化，再通过转换电路使之变成电信号输出。这样便达到测量集电环火花区域的目的。在能覆盖集电环与碳刷所有接触面区域的某适当位置布置弧光探头进行测量，如图1所示也显得非常方便。
4 仪表装置及功能
集电环监测装置是由前端的测量单元和后端的处理单元即仪表装置两部分构成，其功能是对集电环温度和火花的监测，将测量单元提供的电信号输入处理单元，进行综合分析、判断并量化，最终输出电站监控所需的信号。根据GB/T 7894-2009《水轮发电机基本技术条件》6.1节绕阻、定子铁心等部件温升，F级绝缘水轮发电机集电环的允许温升限值为85K，仪表装置可提供可设置的两级报警信号，当装置监测到集电环温度高于预设定的第一上限时，提供第一报警信号；监测到温度高于预设定的第二上限时，则提供第二报警信号。
我国电机基本标准将火花分5级，分别为：1级为无火花；1.25 级为电刷下有小部分微弱火花；1.5级为电刷下面有大部分轻微的火花；2级为电刷整个边缘下部有火花，仅在短时冲击负载超载时允许存在；3级为电刷整个边缘有强大的火花，同时有火花飞出。依据这标准，装置可根据采集到的火花信号的强弱，划分成相应的5个等级来显示产生火花的强弱，当火花等级达到预设定某几个等级时发出报区信号，供电站监控使用。
其它，仪表装置可以留有备用的接口，如再配以发电机功率传感器，便可以提供发电机功率－集电环温度变化的关系图，让用户一目了然知道集电环温度随发电机功率变化的情况。当然，根据用户的需要还可以提供其它更多的功能。
5 结语
对水轮发电机集电环温度与火花进行监测，符合现代水电站“无人值守”的自动化要求，可以有效控制集电环装置运行中出现碳刷过热和环面打火问题，对提高水轮发电机组安全运行很有必要。
使用非接触式红外线测温系统，使转动部件的温度变得可测、可量化，具有灵敏度高、反应快等优点，且安装和使用也比较方便。
集电环监测保护装置在我公司生产的某卧式水轮发电机组中已得到应用，效果良好，所得经验可供借鉴。
参考文献：
[1] 陈仓，曹浩军.发电机集电环环火故事分析及预防[J].热力发电，2009，38（10）：85-88.
[2] 杨大贵，李广.水轮发电机集电环系统改造[J].电力系统装备，2010（10）：72-74
[3] 哈尔滨电机制造学校，电机学，机械工业出版社
[4] GB/T 7894-2009，水轮发电机基本技术条件
论文作者:王力,翁留发
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/21
标签：集电环论文; 火花论文; 温度论文; 碳刷论文; 装置论文; 水轮发电机论文; 测量论文; 《电力设备》2017年第20期论文;