水轮发电机集电环测温改造与实施

刘 伟，杨治全

（华能澜沧江水电股份有限公司检修分公司，云南 昆明650214）

集电环和碳刷是水轮发电机动静接触和能量传递的设备，也是发电机励磁系统的重要组成部分，集电环处温度能反映设备的运行工况，其温度过高可能会烧毁集电环和碳刷，甚至会对发电机励磁系统带来影响。本文结合小湾、糯扎渡水电站集电环测温系统改造经验，具有较好的借鉴和推广意义。

1 改造前状态

目前小湾、糯扎渡水电站发电机集电环室安装2个PT100温度传感器，只能测量集电环室内环境温度，不能准确反映“集电环温度”。集电环温度是通过手持式测温装置进行定期测量，测量温度是一个瞬时值，不能测得机组在不同负荷下集电环的温度，不能实时监测集电环温度变化趋势，不能对碳刷与集电环表面温度情况的实时掌握，只能通过人工测量集电环温度。不但增加水电厂运维人员的工作量，而且对设备的运行状态不能实时掌握，对发电机安全稳定运行带来隐患。

2 方案设想

为了便于运行人员实时掌握发电机集电环发热及温度变化情况，小湾、糯扎渡水电站发电机集电环室安装2个红外测温传感器，分别测量集电环正负极温度，通过发电机测温仪表将温度模拟量、开关量信号上送监控系统。开关量信号通过监控系统内逻辑判断，启动机械事故停机流程；模拟量信号上送监控画面，方便于实时监视集电环温度，及时发现异常并处置。

2.1 测温总体框架

信号回路通过中间层端子箱将集电环室温度信号送入发电机仪表柜，进而上送至监控系统，信号回路见图1。2个红外测温传感器安装于集电环室支架上，见图2。

图1 发电机集电环测温信号回路

图2 发电机集电环测温传感器布置图

2.2 设备选型

（1）测温传感器选型

发电机集电环是随发电机转子一同转动，测量发电机集电环温度需要使用非接触式温度传感器，采用红外线测温传感器。红外线测温传感器在小湾、糯扎渡发电机出口封闭母线导体测温中广泛使用，运行较为可靠。选用美国雷泰提供的RAYMI310LTS-CB25型红外测温传感器，该传感器由测温探头和通信盒两部分组成，传感器探头将测温信号提供给通信盒，通信盒将此信号上送至测温仪表。该型号温度传感器见图3。

图3 红外温度传感器组成图

（2）测温仪表的选型

发电机测温仪表柜上新增集电环正负极测温仪表选用JM Concept XALIS 3400测温仪表，它能同时输出模拟信号和开关信号，上送监控系统用于显示、告警和事故停机逻辑判别。仪表温度高参数设置为80℃，过高设置为100℃。

2.3 支架制作及安装位置

分别按照图4制作集电环正极和负极测温探头安装支架，将支架焊接至集电环室下游侧-Y向碳粉收集装置处偏-X方向第3个间隔处（详见图2），支架安装点与集电环直线距离为210mm，确保支架焊接牢固可靠，无虚焊、点焊现象。

图4 集电环测温支架尺寸

将2个红外线测温传感器分别安装在集电环室支架上（详见图4）。传感器与集电环之间的距离为210mm，将其输出信号电缆接入传感器通信盒。根据测温仪表尺寸（92mm×45mm），在发电机测温仪表柜前面板上开孔，安装2块用作显示的测温仪表，用作显示集电环正负极温度。敷设2根4×1.5控制电缆，将传感器通信盒输出模拟量信号接入发电机测温仪表柜。

2.4 电源回路

根据红外测温传感器的工作原理，在发电机测温仪表柜电源端子取AC220V电源，将其接入新增电源模块，转换为DC24V，为2个集电环测温通信盒提供电源。数显仪表电源取自仪表柜AC220V电源端子。

2.5 温度信号上送

敷设2根4×1.5控制电缆至机组LCU A3柜，将集电环正负极测温仪表输出模拟量信号送入LCU A3柜XAI9端子排，其输入通道AI140、AI141，分别对应端子号为XAI9-23/24、XAI9-25/26。将仪表输出温度高开关量送入LCU A3柜XDI13端子排，其输入通道DI390、DI391，分别对应端子号为XDI13-6、XDI13-7，公共端为XDI13-35。敷设1根4×1.5控制电缆至机组LCUA1柜，将输出两路温度过高开关量送入LCUA1柜XII4端子排，其通道为SOE116、SOE117，对应端子号为XII4-20，、XII4-21，公共端为XII4-35。

2.6 监控数据库及画面修改

将监控数据库中机组模拟量序号139描述“机组AI备用139”改为“集电环正极温度”，序号140描述“机组AI备用140”改为“集电环负极温度”。开关量序号389描述“机组DI备用389”改为“集电环正极温度高”，序号390描述“机组DI备用390”改为“集电环负极温度高”。SOE量序号116描述“机组SOE备用116”改为“集电环正极温度过高”，序号117描述“机组SOE备用117”改为“集电环负极温度过高”，序号192描述“机组备用压板LP12”改为“集电环温度过高停机压板”。在监控温度画面中新增“集电环正极温度”和“集电环负极温度”画面。监控侧数值显示与仪表显示一致。

2.7 监控系统控制逻辑修改

按照《水电厂无人值班评价细则》要求，对机组本体PLC控制逻辑进行修改，并在LCU柜增加“集电环温度过高”事故停机压板，将“集电环温度过高”作为机组机械事故停机启动源之一。

（1）事故停机启动条件

本体PLC机械事故停机启动条件：机组空载态OR机组发电态，“集电环正极温度过高（开关量）”AND“集电环负极温度过高（开关量）”AND“集电环温度过高事故停机压板投入”。

（2）本体PLC机械事故停机控制逻辑修改

1）机组LCU本体PLC程序“AUTO_START”段机械事故停机流程中增加发电机集电环温度过高启动机械事故停机流程条件判断，如图5所示：

图5 集电环温度过高启动机械事故停机流程条件

2）在机组LCU本体PLC程序“AUTO_START”启动原因中增加程序段，如图6所示：

图6 启动机械事故停机新增程序段

修改机组报警码，将42修改为集电环温度过高。

3 方案实施

根据现场的要求，对以上设想的可行性进行分析、评估、论证。此设想能够完成实时监测发电机集电环正负极温度。具体实施按照以下步骤进行。

（1）根据要求，制作集电环正极和负极传感器测温探头安装支架。在发电机测温仪表柜上开孔，安装两块用作显示测温仪表。

（2）将正负极测温支架固定在集电环室踏板上，将正负极测温传感器探头安装在支架上。

（3）将测温传感器探头电缆接入通信盒，其模拟量信号上送至仪表柜。

（4）将集电环正负极测温仪表输出模拟量、开关量信号（温度高报警)分别接入到机组LCU A3柜，将开关量信号（温度过高报警）接到机组LCU A1柜。

（5）将集电环正负极测温仪表电源输入接到仪表柜电源端子。

完成以上部分的相关接线，标识完善，回路做好绝缘检查，信号核对等工作。

4 试验调试

4.1 试验前的准备

（1）监控系统数据库、监控画面、机组PLC程序修改完成后，将修改好的程序更新至调试专用虚拟主机，方可开展静态测试。

（2）将虚拟主机连接至机组LCU，并验证修改控制逻辑正确，能完成各项功能。

4.2 集电环测温仪表开入、开出测试

（1）检查送至监控系统的模拟量、开关量信号正确上送。

（2）检查正负极通信盒LCD显示屏温度信息显示与测温仪表显示一致，记录显示温度。

（3）使用红外线成像仪或其他方式测量集电环温度，验证与测温传感器测量数据一致。

4.3 相关参数设置

（1）发射率设置：按下通信盒面板“回车”按键，进入“head”菜单页面通过上下键进入“Emissivity”设置界面；反复对比通信盒显示温度与红外线成像仪温度，设置合适的发射率数值，使得通信盒显示温度与红外线成像仪测量温度一致（差值＞1℃）。

（2）设置集电环正负极测温仪表量程，使得集电环测温仪表显示温度与通信盒温度一致，设置集电环正负极温度高（80℃）、过高（100℃）值。

（3）模拟集电环正负极温度，用一个可改变物体温度达到测温仪表设定温度高和过高报警值，检查仪表能否正确开出温度高、过高信号。

（4）监控系统设置集电环正负极温度范围，-40～600设置为监控系统的工程值。监视画面集电环正负极温度显示正常，与现地通信盒及测温仪表显示一致。

4.4 集电环温度过高启动机械事故停机流程功能测试

（1）模拟机组发电态，投入机组本体PLC集电环温度过高压板。

（2）短接机组本体LCU“集电环正极温度过高”SOE信号（SOE[116]）和“集电环负极温度过高”SOE信号（SOE[117]）。观察确认本体LCU机械事故停机流程正常启动。

通过以上测试，之前设想的各项功能均能实现，控制逻辑满足要求，事故停机信号动作正确，能够满足实际的要求。图7为改造后的照片。

5 结论

图7 改造后的效果

改造后，红外线测温传感器很好的解决了水轮发电机集电环温度实时测量。将原有的定期测量改为在线监视，将不同负荷下集电环温度实时反馈，及时准确的将发电机集电环温度反馈给监控系统。电厂运维人员根据监控接收到的数据，能及时准确的掌握集电环温度动态，进而掌握机组运行状态，保证机组安全稳定运行。该装置安装简单，可操作性强，可以代替人为测量集电环温度。这方便于电厂运维人员日常巡检，为电厂无人值班，少人值守提供帮助。避免集电环温度过高导致设备损坏，为机组安全稳定运行提供了一种重要保护屏障。