发电机励磁碳刷在EDPF-NTPLUS中的远程实时监测

韩丽

国家能源集团山东石横热电有限公司 山东肥城 271621

在所有的有刷发电机电气运行规程中，发电机正常运行中的检查项目里都会包括碳刷无过短、过热、跳动、卡涩、冒火现象；所采用的检查方法包括用红外成像测温，钳形电流表测电流，不管是测温还是测电流都需人员定期手动测量，周期长的每月或每周一测，周期短的每日一测。由于测电流费时费力，不少电厂甚至不测电流，只测温，而测温一旦发现超温，人员容易慌乱，这时已经是碳刷均流度很差，没有实时电流数据想快速找出分流差的碳刷很难，随时间推移，造成接触与滑环发热的劣化循环，留下了很大的安全隐患。

目前，有的电厂逐步引进发电机励磁碳刷电流在线装置，安装在碳刷就地附近，通过电流传感器来反应碳刷电流的大小，以此来判断碳刷运行状况。运行人员根据电流高限远传报警和定期巡检来发现碳刷异常情况。工作效率低，问题发现不及时。一旦电流高限报警，运行人员容易慌乱。

1 立项背景

1.1 案例

某电厂发电机为东方电机有限责任公司制造的QFQS-200-2型三相交流隐极式同步发电机。某日，有功功率170MW，无功功率56MVar，转子电压293V，转子电流1309A。21时13分，运行人员发现发电机滑环处有弧光和火苗冒出，21时16分49秒、57秒盘前“发电机转子一点接地”、“发电机转子两点接地”光字报警相继发出，17分45秒将#5汽轮机打闸，手动将发电机解列。

停机后检查发现，靠近发电机的负极滑环侧损坏严重，刷盒有4个几乎全部烧熔，2个碳刷刷辫烧断，其余4个刷盒内的碳刷不同程度烧熔，2个刷架上固定刷盒的堵板烧损，碳刷架上绝缘板部分碳化，刷架底座上MS尼龙螺栓部分熔化，导电环及刷架支座沿内圆圆弧部分烧熔，集电环表面烧损痕迹明显，内侧绝缘筒碳化严重，集电环表面及转子大轴台阶处有弧光灼伤的麻点。

1.2 发电机励磁碳刷维护现状

长期以来因发电机励磁碳刷维护不当引发的环火事故造成的非计划停机，给不少发电厂造成较大经济损失。环火事故发生突然，时间短，难于及时处理，往往造成集电环刷握以及碳刷的烧损，维修费用高、周期长。目前，在发电厂，发电机励磁碳刷维护现状如下：

现状一：随着机组运行年限的增加，从碳刷分流的相对平衡到严重失衡的周期越来越短，不少电厂在发生打火甚至环火事故后，已由之前的每月一测或每周一测改为每日一测，工作量显著增加。

现状二：很多电厂碳刷电流分配严重不平衡运行比较普遍，之所以未广泛频繁发生环火事故，风扇散热起了关键作用；但是只要存在大电流碳刷，发电机碳刷系统就相当于处在一个危险边缘，应当引起注意。

现状三：虽然有风扇散热这一安全保险，但是碳刷均流度差相当于碳刷系统始终工作在危险临界点附近，一旦均流度再次恶化，即使有散热风扇做保险也无济于事，特别是当夏季高峰负荷来临，环境温度高，励磁总电流增大，碳刷均流度差，再加上人员维护不及时，碳刷系统发生环火事故的概率非常大，况且散热系统本身也可能出问题，这也是为什么每年都有电厂发生环火事故的直接原因。

现状四：人员定期点检，更多是当碳刷出现打火，断辫等明显异常现象时，才发现问题并报告，一定程度上造成了事态的加重，而且只针对打火、断辫碳刷做维护并不能从根本上解决碳刷均流度差。

现状五：碳刷电流手动测量弊端明显，环境恶劣高温高燥测量不便，人员距离大轴很近且测量耗时长，也存在对人员及发电机的危险性。

现状六：很多发电机在出厂时就会存在先天不分或少分电流的碳刷，难以解决，尤其是2000年之后出现多碳刷合一的恒压刷握，也正是因为这一缺陷，剩余碳刷的电流平衡问题就更值得我们重视。

现状七：发电机厂家考虑到成本与空间的因素，碳刷冗余度做的不高是一个普遍情况，一旦均流度变差，将很容易出现大电流碳刷。

将人工定期测量改造为系统后台实时在线监测，可第一时间发现问题碳刷，及时处理碳刷接触不良、震动等造成的分流不良情况，尽量调整各个碳刷电流基本平衡，避免出现大电流碳刷，消灭环火事故于萌芽中，真正做到预防环火及更大事故的发生。

2 应用设计与实施

利用机组小修时机，通过软硬件相结合，实现了#6发电机励磁碳刷在公司EDPF-NTPLUS系统中的远程实时监测。

2.1 硬件安装

安装发电机励磁碳刷电流在线监测主机一台，监测主机为壁挂安装，安装在发电机车衣内，与所敷设的电流信号电缆、电源线及报警电缆固定在车衣上，便于在发电机检修时同车衣一体进行拆装，接线为插头插接式，方便检修。

在发电机正负极刷架上各安装八组碳刷电流传感器，每个刷握对应一个传感器组。就地共安装96个霍尔传感器（300MW机组），并与碳刷电流装置主机相连接。主机主界面碳刷编号及位置如图1所示，其刷握位置编号如图2所示。每个传感器可实时采集发电机励磁碳刷电流信息，即本地实时显示发电机96个碳刷电流变化，按照预置的报警值，在碳刷电流超过预置报警值时，提供电流超限报警显示，提醒维护人员检修。

图2 刷握编号位置图

2.2 控制电缆敷设并接线

（1）一路装置电源，由UPS接入碳刷电流装置主机，给装置供电。

（2）一根通讯电缆，由碳刷电流装置主机接入EDPFNTPLUS系统COM卡第一通道。

（3）一根光字牌报警电缆，由碳刷电流装置主机接入EDPF-NTPLUS系统相应DI卡件。

2.3 EDPF-NTPLUS系统COM卡件及AI测点组态

2.3.1 新建测点

EDPF-NTPLUS系统中，新建96个AI测点，与96个霍尔传感器传输电流一一对应。模拟量测点的顺序为A1（1-6）、A2（1-6）、A3（1-6）、A4（1-6）、A5（1-6）、A6（1-6）、A7（1-6）、A8（1-6）；B1（1-6）、B2（1-6）、B3（1-6）、B4（1-6）、B5（1-6）、B6（1-6）、B7（1-6）、B8（1-6）。

2.3.2 逻辑组态

对EDPF-NTPLUS系统中的相关COM卡进行组态，定义COM卡功能为AI功能，建立虚拟COM-AI卡件1（定义为：1-32通道）、COM-AI卡件2（定义为：33-64通道）、COM-AI卡件3（定义为：65-96通道）。96个传感器与96个通道一一对应。每个COM-AI卡件中自定义属性中，数据类型必须设置为0:int16，字节顺序类型设置为0:b3b2b1b0，标变系数a设置为1.0，标变系数b设置为0.0。

2.3.3 绘制相关逻辑图

对A、B两侧各48个测点分别做逻辑求和，显示实时励磁电流。

2.3.4 新增1个DI报警点

EDPF-NTPLUS系统中，新建1个DI测点，碳刷电流装置主机出现电流超限报警时，在EDPF-NTPLUS系统中通过软光字牌进行报警。

2.3.5 绘制“碳刷电流监测”实时画面图

EDPF-NTPLUS系统“发变组系统”画面中，增加“碳刷电流监测”按钮，对“碳刷电流监测”实时画面进行组态。

2.4 通讯设置与调试

EDPF-COMII模块是EDPF分布式高速智能测量测控网络中的智能通讯单元，碳刷监测电流主机通过RS485串行口，以MODBUS协议为规约，用通讯电缆与EDPF-COMII模块连接。

2.4.1 通讯任务配置

（1）建立用户超级终端配置。在win98，winNT或往后更高级的系统里，选“程序”-＞“附件”-＞“超级终端”，双击Hypertrm，输入自定名称（如：COM_SET）“确定”，选“直接连接到串口1”；端口设置：波特率=9600，数据位=8，奇偶校验=无，停止位=2，流控制=无。“确定”。保存退出。

（2）启动终端，设置EDPF-COM参数。在“程序”-＞“附件”-＞“超级终端”中，双击COM_SET，进入终端程序。检查RS232通讯电缆两端分别与PC机和COM模块接好。COM模块上电，终端程序界面显示输入口令，并有调试信息连续显示，此时输入DNA123。回车即显示通讯配置提示符“#”及“欢迎使用EDPF2000-COM模块”，先输入“T=0”取消调试信息的输出显示。

（3）设置COM卡端口通讯参数。

命令#L=COM1，显示COM卡端口1全部任务。

命令#D=COM1。删除COM卡端口1全部任务，使COM卡端口1任务清空。

命令#S=COM19600N810M1000，设置COM卡端口1通讯参数。

参数设置命令含义如下：

第0项：需设定的通讯端口号（COM1或COM2）；

第1项：设定通讯口的波特率，碳刷电流监测主机通讯规约波特率为9600；

第2项：表示奇偶校验，字母O表示奇校验，E表示偶校验，N表示无校验。

碳刷电流监测主机通讯规约无奇偶校验；

第3项：表示8位数据位，不可变；

第4项：表示1位停止位，不可变；

5，6，7项相互关系如下：

第6项：表示将此口设定为MODBUS主站（M），还是从站（S）工作模式：

作从站时，第5项表示此口的从站地址，非硬件设定，可人为设定，第7项无意义。

作主站时，第5项无意义，

第7项表示此口的每项通讯任务执行正确后的延时（X2ms），该项设置为2*1000ms。（注：延时低于2S时，碳刷电流监测主机无法快速传输数据，DCS显示电流测点为坏点）。

（4）填写任务列表，将任务写入COM卡。

命令#W=COM10131961500，填写任务列表。

“=”后面有0~7共8个参数项，命令格式为：

COM1，TaskID（0-255），SLAVEADDR（1-128），FUNC，SAddr，NRe gs，MemSAddr，TOver

其中，参数含义如下：

①TASKID：从0开始的连续任务列表。

②SLAVEADDR：COM模块要访问的从站设备地址，一般由硬件设定。

③FUNC：MODBUS命令功能码。功能码3：读取从站的保持寄存器（40001～）数据写至内存中。

④SAddr：MODBUS命令中要访问的外设备的寄存器或线圈的起始地址。对功能码1：读从站的起始线圈的位地址。

⑤NRegs：MODBUS命令读写寄存器或者线圈的中数量（个数）。对功能码1：线圈的个数，注意是位数！

⑥MemSAddr：MODBUS命令的输入/输出数据对应的内存区起始地址。

⑦Tover：通讯任务执行等待超时（单位为2ms）。

（5）编译COM卡通讯任务。命令#C=COM1，编译COM1上所有通讯任务。

编译COM1上所有通讯任务编译后，指定通讯端口任务才可生效。

（6）列出COM1上所有任务。命令#C=COM1，列出COM1上所有任务，再次检查全部任务设置是否正确。

3 创新点

（1）加装碳刷电流传感器，传感器分散布置于各个碳刷电流回路上通过线缆与主机（DEC-I型发电机碳刷电流监测装置）相连，装置可以对传感器自动校准，无需用户校准，电流传感器可实时采集发电机励磁碳刷电流信息。传感器可随意互换，没有与主机接口一一对应限制。传感器支持热插拔，维修更换问题碳刷装置无需断电，不影响其它碳刷电流监测。

（2）采用485通讯接口，进行大量数据远传，传输效率高、成本低。

（3）通过逻辑组态，结合MODBUS通讯协议规约、配置DCS参数、进行逻辑组态、通讯联调，实现集控室内远程监测。

（4）设置四级报警门槛，实现多级预警。

（5）打破了DEC-I型发电机碳刷电流监测这一专利产品实现EDPF-NTPLUS系统远程实时监测的技术瓶颈，形成了成套的设计、应用方案，具有很好的推广应用价值。

4 应用简介

总投资15万元。改造成本低、时间短，5-7天即可完成包括霍尔安装、控制回路接线、逻辑组态、通讯调试等全部工作，在机组调停、小修期间均可进行。

该成果以发电机碳刷在线电流监测装置为硬件，以EDPFNTPLUS系统为平台，加装霍尔传感器、敷设电源线、通讯线和报警线。增加COM通讯卡。配置DCS参数、进行逻辑组态、系统联调，实现发电机励磁碳刷在公司EDPF-NTPLUS系统中的远程实时监测。成果应用后，碳刷运行维护工作，变被动模式为主动控制碳刷电流相对平衡的模式。从根本上避免过热碳刷打火及断辫事故的发生，保证了机组安全稳定运行。

5 结语

目前，山东石横热电有限公司已相继完成#5、6（自并励）发电机励磁碳刷在EDPF-NTPLUS中的远程实时监测，系统运行稳定。该成果打破了DEC-I型发电机碳刷电流监测这一专利产品实现DCS远程实时监测的技术瓶颈，形成了成套的设计、应用方案。可以在兄弟单位或同类型机组中推广应用，具有很好的推广应用价值。