摘要 ：集电环碳刷系统是水轮发电机的重要组成部分，也是故障高发的难点、痛点系统。其在线监测系统的需求强烈。文章通过对集电环碳刷系统相关变量的梳理，及关键监测量的监测方式进行了探索研究，并通过试验验证，实现了集电环碳刷在线监测系统的方案选型，以期对水电站业主解决相关问题提供支持。
关键词：集电环 碳刷 直流 温度 在线监测
0. 前言
集电环碳刷系统是水轮发电机的重要组成部分，扮演着励磁电流由静止部分向旋转部分传递通道的重要角色。长期以来，该系统故障高发，是困扰稳定电站运行的主要难点。如何构建一套高性能的集电环碳刷在线监测系统，是水电厂智慧化建设中，消除监测盲点的重要工作。
1. 集电环碳刷系统简介
水轮发电机普遍采用自并励励磁方式，安装在发电机机端的励磁变及之后的可控硅整流装置为发电机运行所需的直流励磁电流提供来源。上述设备均为静止部件，而提供主磁通的励磁绕组安装在转子外圆。励磁电流通过励磁绕组时，产生稳定的静止磁场。机组旋转时，该磁场以转速频率旋转，与定子绕组交链，从而在定子绕组中产生感应电势。励磁电流能否稳定的从静止的可控硅装置传递到转动的励磁绕组，是发电机是否稳定运行的关键前提条件。
集电环碳刷系统一般由集电环碳刷，导电环，集电环等部分构成。其中，导电环、碳刷为静止部件，集电环与发电机转子连接，随转子同步旋转。集电环与碳刷紧密联系，实现电流在静止、旋转部件之间的传输。
2. 集电环碳刷系统在线监测方案设计
2.1 集电环碳刷系统监测方式的现状及在线监测的必要性
目前，集电环碳刷系统的检测主要通过离线、人工巡检的方式。按照电站常规运维规定的要求，每班至少对发电机碳刷进行三次巡检和测温、测电流。一方面，巡检工作量非常大，需记录数据量大，严重依靠巡检人员的责任心；另一方面，巡检工作需要在带电工况下进行，存在一定的安全隐患；最后，人工的巡检过程所获取的数据存在较大的时间跨度，难以准确反映设备在某一时刻的运行状态。
鉴于上述状况，构建一套集电环碳刷系统的在线监测系统，实时评估该系统的运行状态，并对异常情况提供预警，非常必要。
2.2 集电环碳刷系统的监测需求分析
对集电环碳刷系统相关的物理量进行梳理：
输入信号中的励磁电压、励磁电流、转速等信号，电站已经实现了在线实时监测。集电环相关参数、碳刷相关的特性参数、弹簧压力等数据稳定性较好，机组设计制造完成后即确定，可以作为常数固化在系统中。扰动信号中的相关变量，均可以在电站现有的在线监测系统中获取。噪声信号，针对每台机组会有所不同，主要影响系统的测量精度。建议在软件层面规划相关的滤波算法解决，监测方案中不作为重点考虑。输出信号是监测系统的重点关注对象。结合现有的监测技术成熟度和结构实现的可行性，借鉴现有人工检测的变量选择，将集电环碳刷温度、碳刷电流、碳刷磨损量作为重点监测指标。集电环磨损量出现突变的概率非常低，且监测实现难度大，暂不作为重点关注内容。
2.3 监测方案设计
2.3.1 集电环碳刷电流监测
集电环碳刷电流为直流电流。根据碳刷的使用要求，单个碳刷的负载电流取值范围为20~100A。
现阶段，电站单个碳刷电流的测量方式主要有两种：一种是采用钳式电流表人工监测；一种是外接分流器，实现在线监测。第一种方法难以实现在线监测；第二种方法，虽然可以实现在线监测，但安装调整难度大，难以大范围推广。
综合考虑测量精度和安装的便利性，采用霍尔电流互感器实施励磁电流的在线监测。该类型传感器为成熟产品，普遍使用在屏柜等部分直流电流的测量。
另外，为了保证系统安全性，需要对每个碳刷的电流进行监测，因此，霍尔传感器结构尺寸需要尽可能小。进行详细的时常调研，寻找到一种结构尺寸足够小的产品。该变量的监测可以实现。
2.3.2 集电环碳刷温度在线监测
集电环碳刷的运行温度是该系统是否可靠运行性的关键性指标。可以采用直接测量方式，也可以通过其紧密接触件的温度测量间接反映。现阶段，考虑碳刷为带电部件，其温度监测采用非接触式的红外监测方式。但由于集电环碳刷圆周均匀布置，且遮挡物较多，红外摄像头的布置数量需要较多；另外，由于运行环境恶劣，振动幅值大、油雾污染大，红外摄像头的使用寿命普遍较短。需要寻求一种检测精度高、成本低廉的监测方式。
传统的温度监测方式有热电阻、热电偶等。碳刷为静止部件，传统的温度监测方式是可行的。从测量灵敏度考虑，选用热电偶方式为碳刷温度的实时在线监测方式。
热电偶的安装位置可以是在碳刷本体，也可在于碳刷紧密接触的部件上。有个别厂家将热电偶安装在刷盒本体，使用刷盒温度间接反映碳刷本体的温度。这一方式安装简单，对碳刷本体没有影响，但测量准确度未得到过验证。
2.3.3 碳刷磨损量监测
集电环碳刷的使用过程就是它的磨损过程。当碳刷磨损量接近其磨损极限时，就需要对碳刷进行整体更换 。另外，碳刷的磨损速率也会对集电环碳刷系统的运行环境有较大的影响。较大的磨损量会产生较多的碳粉粉尘，碳粉粉尘的堆积会造成集电环碳刷系统的污染，甚至造成绝缘短路，严重影响机组运行安全。
碳刷磨损量的监测手段较多，如光学方式、物理位移监测等。但由于运行时，碳刷摆度较大，远大于其单位时间内的磨损量。因此，碳刷磨损量监测的准确性非常差。因此，不对其实时磨损量进行监测，只对其磨损极限进行提示，即输出位开关量。
2.4 试验验证
模拟电站实际运行工况，对上述监测方式进行验证：
图1 试验装置示意图
滑环转速试验转速为500rpm，与常规水轮发电机集电环运行的线速度相当。碳刷及刷盒、弹簧采用电站实际产品。
试验结果见下表：
试验结果表明，上述监测方式是可行的，可以实现集电环碳刷系统关键变量的实时准确监测。该系统设计方案是可行的。
3. 结语
集电环碳刷系统是水轮发电机的重要组成组成部分，其安全可靠运行对水轮发电机具有重要意义。随着监测技术的飞速发展，构建一套安全可靠的集电环碳刷系统在线监测系统成为可能。该系统的构建综合考虑了测量的可行性和成本压力，可以快速是水电厂进行推广和部署。这将大力推进电站智能运维的进展，加速智慧化电厂建设的进程。
参考文献：
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[4] 范江艳 王伟 大型水电站集电环装置的优化改进方案 水电与新能源
[5] 王先政 大渡河沙湾水电站碳刷装置运行温度偏高原因分析及技术改造 四川水力发电
作者简介：
周军长（1982-），男，工学学士，高级工程师，2004年毕业于西安交通大学电气工程及自动化专业，现在东方电机有限公司从事智慧产品研发工作；