新型分布式调相机碳刷室在线监测系统

李 勇，铎 良，张春莉，马智文

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

1 概述

近些年，我国新能源快速发展，电力系统逐步形成以高比例新能源为主要特征的新型电力系统。新型分布式调相机，能够就地灵活地提升新能源场站的短路容量、动态无功支撑能力和转动惯量，对避免风电、光伏等新能源发电设备的脱网，提高新能源厂站汇集地区的电压、频率稳定性具有非常明显的作用[1]，是保障新能源可持续发展的关键设备。对于调相机来说，碳刷和集电环是其重要组成部分，其工作状况直接关系到机组的安全运行。通常情况下，人工定期巡检调相机碳刷室，这种模式效率低下、无法及时发现事故苗头，给安全生产带来极大的隐患。

目前新型分布式调相机（包括热电发电机）配置有轴瓦、铁心绕组等温度，轴瓦、轴承座等振动，匝间短路，轴电压，轴电流等监视、保护信号。分布式调相机碳刷室结构紧凑、空间狭小，对于其在线监测缺乏成熟、稳定的解决方案。本体提出一种用于分布式调相机碳刷室在线监测的解决方案。

2 系统介绍

2.1 设计思路

2.1.1 安全稳定、可靠性高

碳刷磨损和电流分别采用非接触式的电容传感器和霍尔传感器，不在碳刷电流主回路上安装，无安全隐患。通信方式采用无线传输，能够适应强电磁干扰环境。

2.1.2 功能齐全、配置灵活

本方案能够实现碳刷磨损量、碳刷电流、碳刷温度以及集电环温度的实时监测功能，用户可以根据自己的需求进行选配。

2.1.3 通用性强、可操作性高

碳刷采用通用型号、无需特殊定制，刷握能够保持原有结构，对于新建和改造机组适应性良好。

2.2 系统结构

硬件系统由碳刷采集单元、集中器、中继器、集电环热成像传感器、监控主机及远程显示等构成（如图1）。

图1 系统构成图

系统软件功能包括：主控画面、磨损监测、电流监测、温度监测、参数设置、视频监视、实时曲线、历史曲线、报警监视等。

2.3 系统功能

2.3.1 碳刷磨损监测

碳刷磨损监测采用电容原理实现：在刷握上构建可变电容，碳刷为良好的导电介质，当碳刷磨损后其长度发生变化，碳刷原来的部分位置变成了空气介质。对电容而言原来良好的导电介质碳刷变成了绝缘的空气介质，其电容的大小将发生变化，外部监测装置可据此判定碳刷的剩余长度，原理示意（如图2）。

图2 碳刷磨损监测原理图

在实际的运行中周围的温度、空气介质及其他的环境因素都会影响监测的准确性。信号处理采用差分原理就能很好的解决这一问题。

方案特点：安装方便、抗干扰能力强、测量精度可控，无需改变碳握的原有结构。

2.3.2 碳刷电流监测

机组通过碳刷、集电环等形成励磁电流回路，该电流信号理论上是直流，常用的电流互感器不能用于碳刷励磁电流的检测。本系统采用一体式霍尔电流传感器来测量碳刷电流。

将霍尔传感器安装在刷辫上面。电流会在传感器内产生磁通，与次级线圈电流所产生的磁场进行平衡，保持总体磁通为零，然后通过放大滤波电路将信号调理到CPU 可以采集的信号范围，通过CPU 内部的A/D 转化器将模拟信号变化成数值量信号[2]，从而实现碳刷电流监测。

方案特点：响应速度快、测量范围宽、线性度高、功耗低、结构简单、不改变碳握结构。

2.3.3 碳刷、集电环温度监测

（1）碳刷温度监测

碳刷的工作状态测温范围为常温至200℃，温度测量传感器须耐受更高温度冲击，采样精度指标要求不需要很高（一般±2℃即可），但对于测温稳定性能的要求较高。因此，本方案采用热电偶作为碳刷温度采集传感器。

需要注意的是传感器需要与碳刷接触良好，使两者达到热平衡，从而更准确地实现碳刷温度监测。

方案特点：测量范围广、成本低、稳定性和均匀性较好。

（2）集电环温度监测

集电环在工作时高速旋转，须采用非接触式传感器。红外成像是实现非接触式温度监测的有效手段。

分布式调相机碳刷室结构紧凑、空间狭小，红外成像传感器的安装位置对实现集电环温度监测至关重要。

方案特点：被动式温度热像监测，简单方便；响应速度快；可实现大面积快速扫描成像；数据处理和存储空间要求高。

2.3.4 综合诊断报警分析、报警

碳刷的主要工作状态特征是电流、温度和磨损量。系统可以对单个刷握中每个碳刷的电流进行分析，发现运行过程中电流分布的异常状况，判断出碳刷的早、中期异常。通过对运行的温度和长度数据进行分析，结合碳刷电流运行数据，对每个碳刷的工作状态进行评估，可诊断中后期故障并发出报警。为碳刷的更换和刷握维护提供可靠、可信依据。

3 厂内试验及工程应用

3.1 厂内真机试验

2020 年10 月，基于某热电项目对碳刷室监测系统进行了真机试验。试验在机组空载及短路试验工况下进行。本次试验主要项目包括碳刷磨损、碳刷电流及温度监测、报警以及系统无线传输装置的抗干扰能力测试。

试验前，将4 组测试刷握共计16 个碳刷和其他刷握一并安装到刷架上。其中1-1 碳刷长度为63 mm，2-1 碳刷长度为61 mm，3-1 碳刷长度为59 mm，其余碳刷长度为90 mm。短路特性试验时，逐段增加励磁电流，过程中对各状态参数实时测量、记录和比对，部分测试数据如表1。

表1 短路特性试验测试数据

通过厂内真机试验，碳刷监测系统能在空转、空载、短路温升等不同工况下连续运行，系统能实时、准确显示各碳刷电流、温度和剩余长度等信息，数据采集、分析及无线传输均正常，试验达到了预期目的。

3.2 工程应用

2023 年初，本套碳刷室监测系统在东方电机配套的某分布式调相机站投运，系统投运以来，监测数据和实际数据吻合，运行稳定、监测效果良好。

通过系统能够实现实时监测调相机的碳刷温度、碳刷磨损、系统电池电压等信息，系统主画面如图3 所示。

图3 系统主画面

系统支持查阅历史数据，并以曲线图形显示设备运行参数变化。以1 号碳刷磨损为例：该碳刷1月1 日的初始化长度为90 mm，1 月8 日机组开始启动，剩余长度为89.093 mm；1 月18 日碳刷剩余长度83.659 mm；到1 月30 日时，碳刷剩余长度为80.351 mm。通过图4 趋势图，可以直观的看到碳刷剩余长度的变化趋势，一个月磨损了10 mm。

图4 1 号碳刷剩余长度趋势图

4 结语

随着自动化、智能化发展，以及无人值守运行模式的需求，用户对碳刷室在线监测需求十分迫切。传统的人工目视、手持仪器定期巡检存在运维量大、须接近高速转动机组、采集数据不连续、无法及时发现事故先兆等缺点。本文提出的碳刷室在线监测方案能够有效、稳定地实现新型分布式调相机碳刷室在线监测，记录碳刷的磨损量、温度及电流等变化趋势，提前发出预警，为机组长期安全稳定运行保驾护航。

本系统功能齐全、安全稳定、性价比高，可在新建新型分布式调相机（包括大调相机、热电机组、水电机组）推广应用。同时，本系统不改变刷握原有结构、安装方便，也可在已投运的新型分布式调相机（包括大调相机、热电机组）进行改造推广。