摘要：励磁碳刷是发电机组的关键部件之一，历来为各发电企业所重视，但是行业内对励磁碳刷持续工作状态管理的技术研究较少，运维人员对碳刷阵列的技术状态监测方法单一、获取的碳刷运行数据离散，不能完全掌握碳刷的整体运行情况，从而对存在问题的碳刷由于缺乏准确可靠的监测数据支撑不能及时发现和处理，这种问题长久积累会引起局部碳刷过热高温，严重时引起碳刷起火等事故。此种问题和现象在行业内普遍存在。本文结合国电达州发电有限公司发电机组碳刷监控项目实例，对基于无线通信及数字化技术的发电机组励磁碳刷在线监控技术进行了研究，研究结果表明该技术在发电机组励磁碳刷技术状态管理方面具有检测精度高、反馈的碳刷运行状态数据准确完整、对碳刷故障分析全面直观、节省人工、系统操作及维护方便、可靠性高等特点，在行业具有技术领先优势，应用前景良好。
关键词：无线通信及数字化技术；发电机组；碳刷在线监控系统
引言：在发电机组中，励磁碳刷在高温环境下因长时间运行磨损，其电气参数会发生较大的变化，各碳刷外形尺寸及材质老化程度存在明显差异，导致碳刷与滑环之间的接触面电阻值和接触温度均会升高，引起负载电流失衡，从而引起发电机组内部电磁场发生畸变，造成意外停机乃至失火等事故。当前，行业内主要采用周期性人工巡检方式采集碳刷的工作状态参数，此种方式耗时长、测试精度差、获取的碳刷状态数据在时间上离散度大，有时会漏检个别碳刷瞬时电流突变的数据信息等等。针对以上不足，需要加强碳刷全周期运行状态下的监控技术的研究，以便全方位掌握各个碳刷的运行数据，并根据持续采集到的数据，分析碳刷之间的参数差异，找出其中隐藏着的碳刷问题及时予以消除，提高碳刷阵列工作状态的均衡性，最终提高发电机组长期运行的稳定性。
1发电机组碳刷故障监测必要性分析
发电机组碳刷环火、刷辫等故障的发生将引发停机、失火等严重事故，给发电企业带来巨大损失。因此，在发电机组例行维修工作中，碳刷监测工作得以被各大发电企业写入。现阶段，采用日常目视巡查、钳流表、红外仪等工具对碳刷表面情况及运行电流、温度等参数进行检测，受测量条件限制，具有测量周期长、测试精度差等问题。测试过程中发电机高速转动，因而这种检测方式也存在较大风险。此外，碳刷故障参数具有随机性，在不同时间点测试获取的数据在整个测试周期内是分散的，因而从这些数据中难以准确地分析并找出碳刷参数变化的规律或者趋势，故此种检测方式难以及时发现碳刷早期形成的故障性质及类型。采用无线通信技术实现碳刷故障在线监测，可以针对各个碳刷的运行特点，实现24小时设备运行数据采集，获得高速率同步采样数据[1]；此外，采用数字信号处理技术对采集到的碳刷电流、温度等参数进行分析计算，则能确定各碳刷之间的参数差异，并运用预设的数学模型进行碳刷故障分析和判断，及时对碳刷局部过热、放电及短路等问题进行预警，提醒运检人员立即消除碳刷故障、提高各个碳刷之间参数的均衡性，则能够确保发电机组稳定运行，减少发电企业经济损失。
2发电机组碳刷在线监控系统应用分析
2.1项目概况
国电达州发电有限公司分别于2007年和2008年投运31#和32#发电机组，每台机组均为300MW国产燃煤发电机，每台配备64个励磁碳刷，其中4个碳刷为一个碳刷模组，共16组碳刷模组（见下图4）。
两台机组运行近10年，碳刷高温老化导致碳刷内部材质碳化疏松，碳刷材质脆性升高、内部电阻值增大；在前期对磨损严重的碳刷进行更换后，新、旧碳刷之间的电流平衡度明显降低，流经少数碳刷的电流差值最大超过了80A。在没安装碳刷监控系统前，运维班组通常采用周期性目视巡检、钳流表和红外仪等检测碳刷工作参数。此种方式可找出磨损严重的碳刷以及温度、电流变化显著的单个碳刷，但是无法全天性检测到每个碳刷的持续运行数据，对单个碳刷电流短期突变经常出现漏检，碳刷之间的均衡度差，经常需要对差异较大的单个碳刷进行加工研磨以改善其均衡度；此外，不能从碳刷运行数据方面准确观察到某些碳刷的参数变化趋势。为确保碳刷运行正常，运检班组需要保持每天3次、每周7天对全部碳刷进行巡检，巡检的频次和工作量较大，但是巡检效果不佳。
基于以上情况，2017年12月，国电达州发电有限公司决定采用重庆勤智科技有限公司的发电机励磁碳刷在线监控系统，实现对31#机组全部64个碳刷的在线运行状态监控，对所有碳刷的电流分布均衡度进行快速检测（见下图3、图4和图5）。在产品投运后，系统很快就报出部分碳刷的电流差值超限（上限值设定为100A）。运维班组采用钳流表检测每个碳刷电流值，并与碳刷在线监控系统的检测值进行核对，最终确认了碳刷监控系统检测的电流数据的准确性和检测精度；接下来运维班组对系统报出的状态差异明显的多个碳刷进行了加工研磨，修正其物理状态差异，加工后的碳刷投运后整套碳刷的均衡性得到显著提高。最后，结合碳刷在线监控系统提供的每个碳刷的实时温度数据，运维班组对各个碳刷的参数报警设定值再次进行了修正，使设定值完全满足碳刷实际运行维护需求。
2.2监控系统构成
碳刷在线监控系统由前端监测模块、通信集中器、监控主机及监控软件系统组成，如图1所示。系统前端监测模块由电流传感器、温度传感器构成，能够分别进行碳刷电流、温度检测，为系统提供碳刷运行数据；采集前端监测模块可以自动将采集得到的模拟信号转换成数字量，然后借助无线通信模块将数据发送至集中采集器。系统通信集中器收集碳刷监测模块的数据信号，然后将数据传输至后台监控主机，实现数据信息存储。集控室主机由光纤通信主机、数据库服务器、数据收集及分析处理单元等构成，能够完成对碳刷电流、温度等数据的分析计算，为碳刷故障判断提供数据依据；采用报表打印机等设备，能直接进行数据信息打印。在碳刷出现放电、短路等故障时，系统会根据判断发出预警[2]。用户通过操作系统监控软件查看现场传来的实时数据和系统存储的历史数据，并进行数据分析和运行管理等操作（见下图2）。
图1 发电机组碳刷在线监控系统结构框图
2.3监控系统应用
在实际应用时，需要在各个碳刷上加装温度、电流检测传感器和通信模块，负责实现不间断的高频数据采集。借助无线通信模块，集中采集器可以将从现场完成采集到的数据收集，确定现场多台发电机碳刷运行状态，然后将得到的数据信息集中传输至后台监控主机。主机完成对采集数据的前期处理后，利用工业现场总线将数据传输至通信集中柜，然后利用光纤将这些数据重新组包后发送至监控主机，利用数据库服务器实现数据存储。采用系统数学模型对碳刷励磁电流和温度等进行计算，可统计出各碳刷间电气参数差异。结合噪声估计参数、温度数据、碳刷长度等信息，可实现对碳刷局部过热、放电及短路等故障问题的判断。如图2所示为系统应用原理。在实际分析过程中，电流数据为主要判断依据，温度、磨损度等为辅助数据依据，能够帮助用户实现碳刷故障位置定位，继而实现有针对性的故障处理[3]。用户可以借助系统获得传感器数据采集服务和桌面数据显示服务：借助传感器完成数据采集、汇总和分析，利用系统数据库完成数据结果保存；而通过调用桌面数据展示程序，系统可以图、表等形式对各碳刷电流、温度等实时数据进行显示。
图2 发电机组碳刷在线监控系统应用原理
2.4系统应用效果分析
从应用效果来看，该碳刷在线监控系统已经成功应用在#31发电机组上（如图3所示为系统检测到的#31机组A组所在碳刷的电流数据）。采用该监控系统能够对碳刷运行电流、温度数据进行实时显示，同时也能进行历史数据趋势查看和发出报警信息。该系统安装后，#31发电机组一年内未因碳刷故障发生停机、失火等事故，运维班组对碳刷阵列的人工现场巡检频次从每天3次、每周7天改成每周1次。在安装碳刷在线监控系统后，运检人员改以系统提供的检测数据为碳刷运行主要数据进行记录，同时把每周人工现场巡查数据与系统检测数据进行对比，以数据交叉检验方式确保对碳刷管理的可靠性。从运检班组工作方式的调整可以看出，在采用碳刷在线监控系统后，运检班组能够直接从系统获取全部碳刷24小时运行状态参数，快速查找有问题的碳刷并进行加工修复（或者更换），碳刷潜在问题快速消除，人工巡检频次大幅缩减，对碳刷运行状态的管理效率和管理技术水平都得到了显著提升。
鉴于31#机组采用碳刷在线监控系统后形成的技术成果，国电达州发电有限公司决定2018年在32#机组上再次采用重庆勤智科技有限公司的产品，实现对两套发电机组碳刷运行的全部在线监控管理。
图5 碳刷监控主机
2.5系统技术优势
从应用上看，碳刷在线监控系统无需依赖其他设备即可进行全部碳刷24小时在线监控，可直接在现场进行系统接入，具有较高独立性。在系统数据采集上，则能采用多路信号同步采样技术，保证数据传输的高效性和实现数据高精度传输。系统借助数字信号处理模块，可以进行数据去噪声处理。借助高级数学模型分析模块，系统能对多路信号同步数据进行化简，实现数据实时显示。从数据库中进行有用数据的调用，系统也能完成数据结果统计，并以各种直观图、表形式进行数据展示，为用户判断故障提供便利。此外，系统显示界面以数据为主，能够对各种预定义异常状况进行统计分析，实现碳刷故障告警。利用系统可以实现对碳刷7×24小时监测，及时发现碳刷异常，同时也能实现碳刷故障准确定位，因此能够确保碳刷故障隐患得到及时排除，同时又减少人工巡检时间和频次，为发电厂带来可观经济效益。而系统拥有较强扩展性，能够同时对多台发电机组的碳刷阵列运行状态进行检测，然后以报表形式进行重要参数存储，为碳刷后期维护提供便利。在查询和使用系统数据时，可以按时段、碳刷编号等进行历史数据、曲线的查询，完成数据筛选。而系统功能稳定，实用性高，可以为发电机组的数据化管理提供便利。
结论：碳刷在线监控系统可以通过无线通信实现对发电机组所有碳刷的监测，实现对发电机组碳刷故障监控管理，为碳刷运维提供图表和数据依据，降低发电企业人员巡检工作量，提升对所有励磁碳刷的管理技术水平和管理效率。基于系统的技术构成特点，该系统还可以用于水电机组、风电机组等碳刷监控管理，也能用于发电机组开关量信号、刹车片温度等重要数据的监测，从而形成一个综合性的发电系统数据监控平台，为“智慧电厂”的实现提供技术支撑，符合未来发电企业的智能化、数据化发展方向。
参考文献：
[1]孙斐，邱振升，辛晓莺等.发电机励磁碳刷电流不均衡问题分析与处理[J].内蒙古电力技术，2017，35（01）：69-72.
[2]王建涛，张法朝，赵乾等.汽轮发电机碳刷故障引起轴电流报警原因分析和应急处理[J].大电机技术，2016（03）：46-49.
[3]武玉才，李永刚，冯文宗.一种汽轮发电机碳刷、集电环状态评估方法[J].大电机技术，2014（05）：50-54.
论文作者:马国强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
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