红外热成像技术在发电机碳刷滑环中的应用

沈 琦，刘 刚，季学友，潘明泽

（1.浙江浙能嘉华发电有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.杭州中为电子科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

大型发电机的磁场一般都是通过在转子电枢绕组中通入直流电流产生的，而电流则是通过碳刷滑环引入发电机转子电枢绕组中的。因此，碳刷滑环是发电机组进行正常发电必不可少的一部分。碳刷滑环运行状况的好坏直接影响着发电机运营的安全，而目前发电机碳刷滑环还是一个比较薄弱的环节，各大电厂对碳刷滑环的监测一般是通过对励磁电流、励磁电压等参数的检测来判断其运行状况，实际上在事故发生的前期，很长一段时间内，由于励磁系统的调控、励磁电参数的数据都正常，所以当数据发生明显异常情况时，事故已经非常严重了。这类由发电机碳刷滑环故障引起的发电机组强迫停机事故，造成的非计划内停机事故在国内各大电厂内每年都会发生，对发电企业造成重大的经济损失，对人民的稳定用电需求造成影响。

1 碳刷滑环故障分析

碳刷是以碳为主体的刷子形状的部件，在发电机碳刷滑环系统起到导流的重要作用，是发电机组中滑动部件与静止部件直接接触的重要部位，碳刷通过恒压弹簧与滑环一直处于紧密贴合的状态。碳刷发生故障最直观的表现是温度发生变化，碳刷与滑环之间是直接接触并发生滑动摩擦，摩擦本身会产生大量的热量，若碳刷或者滑环表面有油渍、粉尘等污染，会增加其表面滑动摩擦系数，而摩擦力增加，发热量也相对增加。碳刷是一个具有逆温度特性曲线的元件，即外部温度越高，碳刷的电阻值越小。当发电机碳刷出现卡涩、受力不均、接触面积小等情况时，会造成每个碳刷所分担的电流值不同，电流越大，发热量就越大，碳刷的电阻值就越小，这个特性导致碳刷温度升高得很快。温度越高，造成碳刷电阻值越小，使得分担的电流值就越多，从而形成一个恶性循环，如得不到及时处理，最终可能导致环火、非计划停机事故[1]。

碳刷滑环在发生事故前期都会伴随着温度的变化，单个或者部分碳刷温度的偏高、偏低都是碳刷出现故障的早期表现。碳刷温度偏高，可能是由于接触面清洁度不够或者恒压弹簧的压力过大引起的；碳刷温度偏低，可能是由于碳刷与滑环的接触面积过小、恒压弹簧的压力过低、碳刷与刷握之间出现卡涩等原因，造成其分担的励磁电流过小，而其他碳刷分担的电流将会加大，在机组高负荷运行时也容易引发事故。因此，对发电机碳刷滑环进行温度监测在保障机组的安全运行中有着至关重要的作用。

2 现有测温方案对比

通过对多家发电厂的调查，发现目前大多数电厂对发电机组励磁碳刷滑环的温度监测都是通过人工点巡检的方式。人工点巡检测温是按照特定的标准，按时使用点温枪或者手持红外热像仪，对设备的重点区域进行检查测温。点巡检主要是依靠巡检人员长期累积的经验来判断设备的运行状况，虽然能发现很多故障隐患，但是也存在很多不稳定的客观因素。例如，两次巡检之间的间隔难以具体把控，碳刷从轻微故障到严重故障，再到发生环火事故过程往往只有十几到几十分钟，难以及时发现问题[2]；巡检人员态度是否认真，能否每次巡检到各个隐蔽角落，能否全面检查发电机碳刷滑环系统可能存在的隐患；巡检之后形成的巡检报告多数由纸质版表格保存，巡检人员能否详细记录巡检时间、巡检内容；巡检人员的不同，可能会导致巡检报告内容不统一，对同一问题现象的描述五花八门。

在调查中，也发现有部分电厂在发电机碳刷滑环系统中，使用红外线进行测温。红外线测温采用有线式连接，对目标进行点对点的非接触式测温。在碳刷滑环中进行应用，可以对目标点进行24h的在线监测，但是在实际应用中发现红外线测温有许多问题无法克服。例如，一个红外测温仪只能对应一个测温点，对于碳刷滑环这种需要大面积监测温度的系统来说是远远不够的。若想测得每个碳刷的温度，必须大量安装红外测温传感器，传感器的数据传输必须靠有线传输，这样布线就会变得非常麻烦；常规的红外线传感器有效安装距离约为15cm～30cm，随着红外热像仪与测温点之间距离越远，测得温度的精度越差。由于发电机组碳刷滑环的特殊性，无法在原有设备上进行安装红外测温传感器，只能根据现场实际情况定制安装支架进行安装，额外增加了碳刷滑环安全运行的风险，而且红外线传感器数据通常使用4mA～20mA模拟量进行有线传输，相对的数据传输距离较短[3]，温度监测显示装置只能放在现场，出现报警信息时，巡检人员只有到达现场才能发现问题，大大延误了报警响应时间；红外线测温显示的数据属于实时的温度数据，数据一般保存在装置处理器的内存中，但内存空间小，储存数据源有限，无法长时间保存，也无法为后期检修维护提供可靠的依据。

3 红外热成像技术的应用

3.1 基本原理

在自然界中，一切高于绝对零度（-273℃）的物体都会辐射出电磁波，这种电磁波被称为热红外线。而这种热红外线处于肉眼不可见的光波频段，但是几乎自然界中的所有物体却都在时时刻刻不间断地辐射出热红外线。热红外成像通常是指3um～5um的中红外成像和8um～12um的远红外成像。人眼对约0.4um～0.7um的波段敏感，看不到较长波长的热能量。要记录这些能量，需使用特殊的探测器或传感器，成像光学系统也必须有效地传输这些波长的光。

3.2 优势

图1 设备安装图Fig.1 Equipment installation diagram

图2 红外热成像图Fig.2 Infrared thermal imaging

随着红外热像技术的突破，人们对红外热像仪的应用不断增多，红外热像仪在各个领域的应用也愈来愈广泛。红外热成像技术作为一个新兴测温技术，相比传统测温技术而言，有着无可比拟的优势。例如，红外热成像测温的面积非常广，传统测温主要是针对某一点的测温，如果想进行大面积测温，则必须使用多个传感器进行配合测温。这样也不可能兼顾所有点，而红外热成像测温是对镜头可覆盖的区域内所有点进行测温，能兼顾所有部位；红外热成像测温响应时间极大幅度优于传统测温方式，传统如热电偶测温，一般通过热传导的形式使得温度传感器的温度发生变化，进而计算出温度数值，因材料的差异其响应时间一般为秒级，而红外热成像测温直接通过热辐射电磁波进行测温，电磁波的传输速度是光速的。这样使红外热像仪测温的响应时间通常是毫秒级别，部分热像仪响应时间甚至达到微秒级别；在此基础之上，红外热成像测温抗干扰能力极强，红外热成像技术接收物体表面发射的红外光波，采集热辐射进行测温，而自然界中除绝对零度外任何物体都会向外发射红外辐射能，不受电磁干扰。这个特性使红外测温方式具有极强的穿透能力，不会受到环境、空气中的杂质影响，包括在粉尘环境及一些复杂的工作环境下，红外热像仪的成像效果基本不受影响[4]。同时，红外热成像仪成像区别于传统光学成像，不需要借助照明光和环境光，而是采集被测物体辐射，经专业系统软件处理，自动生成物体图像。基于这个原理，红外热成像系统24h进行全天候工作成像，不受环境、光照等外界因素影响，是工业生产中重要的监测手段。

3.3 在碳刷滑环中的应用

在线式红外热成像系统一般是由红外热像仪、交换机、硬盘录像机、计算机等组成。红外热像仪安装在前端，用于采集目标物体的红外热图像数据，采集到的数据经光纤或者网线传输到交换机中进行数据交互，硬盘录像机连接交换机后进行视频数据的刻录保存，计算机通过专有软件对交换机里的数据进行调用后处理分析，并在显示器上显示出来。

发电机碳刷滑环一般是处在碳刷室内，碳刷室内部空间较小，碳刷安装位置与碳刷室墙壁的距离也比较近，在不影响原有设备运行的情况下，利用红外热像实现对发电机碳刷滑环的全面覆盖。这样对红外热像仪的安装距离、自身体积、镜头可视角，安装角度等有一些硬性的要求。通过在现场的实际测试与后期模拟计算，为实现对碳刷滑环的红外热图像全面覆盖，最少安装4套红外热像仪，分别安装在正极的左右两侧与负极的左右两侧，镜头的可视角应选择大于70度的广角镜头，镜头与被测区域的中心位置垂直距离不低于30cm。这样既能保障红外热像仪能全面覆盖所有碳刷，也能保证测温的可靠性与安全性，同时也能节约一定的生产成本[5]。

运行人员掌握碳刷滑环的运行情况，除了通过红外热图像直观地了解碳刷滑环的温度分布情况外，还需要对红外热像仪采集到的数据进行智能分析处理。传统测温设备一般是通过数值对比，设置温度阈值报警。在线式红外热像系统在阈值报警的基础之上，增加了温升速率报警与温升趋势报警。温升速率报警是针对温度上升过快的事故：例如，温度在5min之内上升10℃，这时虽然温度没有达到设定阈值，但是此时设备的运行状况明显异常，如不及时处理很可能造成环火事故；温升趋势报警是针对温度缓慢上升的故障进行超前预警：例如，温度阈值设置120℃，当前温度110℃，温度在过去1h之内上升了15℃，按当前上升趋势在1h之后温度将达到125℃，会超出阈值报警值，此时发出温升趋势预警能尽早通知运行人员提前排除故障，减少损失。

在线式红外热成像系统在运行过程中能检测到大量的温度数据，系统根据碳刷编号、系统时间等信息对温度数据进行整理归档，形成有效的数据库文件。系统通过温度数据库生成月度总结报表、年度总结报表等，帮助运行人员掌握当月、当年碳刷滑环的整体运行情况。同时，系统可采集机组运行的励磁电流数据，再结合温度数据建立数学模型，通过对碳刷温度数据与励磁电流数据的对比分析，可以得出在既定励磁电流下碳刷的理想工作温度范围，从而通过温度偏差确定碳刷的工作状态及工作环境[6]。

4 结束语

红外热成像测温技术具有响应速度快、测温精准、测温距离远，不受光线粉尘影响等优势，适合在重要工业厂景应用。在线式的红外热成像系统，通过温度阈值报警、温升速率报警、温升趋势报警等多重报警规则，对已发生事故提前报警，以减少事故带来的损失；通过大数据的对比分析，辅助运行人员判断设备的运行状况，以减少事故的发生。因此，在线式的红外热成像系统能有效地对发电机碳刷滑环实施在线监测。