CN205580621U - 一种碳刷监测系统 - Google Patents

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浦峰
黄志刚
张光识
班卫东
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Abstract

本实用新型公开了一种碳刷监测系统,包括用于监测碳刷状态的监测单元,其还包括,与监测单元相连的光源单元和转化单元,以及与转化单元相连接的处理单元;所述光源单元为所述监测单元提供光线作为激励信号源;所述监测单元能够随温度的变化而对射入的光线的光波发生感应变化,并将该光信号反馈至所述转化单元;所述转化单元将所述监测单元反馈来的光信号转化为相对应的电信号;所述处理单元对获取的电信号进行计算、处理,完成对碳刷温度的实时在线监测。本实用新型能够避免人工的巡检的方式,减少人力成本,节约资源,而且能够有效避免人工巡检过程中的安全风险。

Description

一种碳刷监测系统
技术领域
本实用新型属于发电机温度监控技术领域,尤其是一种发电机的碳刷监测系统。
背景技术
碳刷和滑环是发电机动静接触和交换能量的设备,是发电机励磁系统的重要组成部分。但是运行中由于很多原因,时常出现过热现象,严重危及发电机的安全运行。为了保证机组安全稳定运行,电厂对规范碳刷的维护均有严格规定,碳刷测温是碳刷日常维护中非常重要的一项,一般通过红外线测温仪定期测量碳刷温度,由于碳刷设备的工作环境受粉尘等各种因素影响,红外线测温仪往往无法获得可靠的温度数据,且巡检时间间隔较长,无法实现实时在线监测,无法实时发现故障。
碳刷正常运行温度一般是50℃~80℃(比环境温度高出40℃左右),碳刷电流分布整体比较平衡,每块碳刷工作电流在20-100A。刷握弹簧压力比较均匀,碳刷活动自如且无震动卡涩现象。碳刷与集电环运行中产生的热量由通风系统带走,即发热与散热基本达到平衡。正常运行状态下,当负荷增加电流增大或个别碳刷工况变差时,温度会有短时微量增加,系统能够维持平衡或达到新的平衡状态。但是如果碳刷变短、刷握弹簧压力变小、接触电阻变大、碳刷运行工况变差,当工作电流增加、温度变化时,系统的平衡能力降低,部分碳刷温度将升高,从而导致整个系统温度升高,有时甚至达到无法控制状态。发热时碳刷和集电环温度高达100℃以上,最严重时高达200℃--300℃。此时碳刷工作状态越来越差,碳刷电流分布很不均匀,少数碳刷电流达到300A,而另一些碳刷电流接近于0。大量碳刷出现不正常的跳动或卡涩,并出现大量的火花,刷辫烧断或脱辫;碳刷与集电环摩擦声音变得尖锐刺耳,直至引发集电环环火。
碳刷测温目前主要有:(1)通过定期的巡回检查测量碳刷的温度;(2)通过红外线在线测温方式实现;(3)通过电传感器在线测温方式实现。目前传统的几种方法,对碳刷进行温度监测,都无法做到100%可靠,特别是对于碳刷故障率高的机组,会由此造成机组非计划停运停,对系统造成不良的影响,同时对电厂也会带来不良的经济损失。人工定期巡检耗费大量的人力、物力,人工定期巡视不能发现短时间内自动恢复的故障,不能及时早发现、消除设备潜在的安全隐患。同时,现场环境复杂,红外测温误差大;而传统的电传感器需要给传感器供电,会因测温系统本身引起二次故障,造成更大损失
实用新型内容
本部分的目的在于概述本实用新型的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。
鉴于上述和/或现有碳刷监测系统中存在的问题,提出了本实用新型。
因此,本实用新型的目的是提供一种发动机的碳刷监测系统,其能够避免人工的巡检的方式,减少人力成本,节约资源,而且能够有效避免人工巡检过程中的安全风险。
为解决上述技术问题,本实用新型提供如下技术方案:一种碳刷监测系统,包括用于监测碳刷状态的监测单元,其还包括,与监测单元相连的光源单元和转化单元,以及与转化单元相连接的处理单元;所述光源单元为所述监测单元提供光线作为激励信号源;所述监测单元能够随温度的变化而对射入的光线的光波发生感应变化,并将该光信号反馈至所述转化单元;所述转化单元将所述监测单元反馈来的光信号转化为相对应的电信号;所述处理单元对获取的电信号进行计算、处理,完成对碳刷温度的实时在线监测。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述监测单元包括前端传感光缆,所述前端传感光缆包括间距可变的光纤光栅温度传感器,用以检测碳刷的温度参量。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述转化单元包括探测器模块,其接收前端传感光缆中正向传播和反向传播的两路光信号,并将光信号转换为电信号。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述光纤光栅温度传感器通过其有效折射率和光栅周期在外界温度改变时发生变化,由此导致光纤光栅的反射波长发生移动,来检测碳刷的温度参量。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述光纤光栅的反射波长发生移动,其与温度变化的关系为:
Δλ B λ B = ( α S + ζ S ) Δ T
式中:ζs=1/neff=△neff/△T为光纤的热光系数,描述光纤折射率随温度的变化关系;αs=1△λ/λ△T为光纤的热膨胀系数,描述光栅的栅距随温度的变化关系。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述光源单元包括可调谐光源模块,其包括ASE光源、光纤隔离器、固定光衰减器和可调谐F-P滤波器,ASE光源发出的光通过固定光衰减器,使得输入到可调谐F-P滤波器的光符合其入口功率的限制要求,ASE光源与可调谐F-P滤波器之间的光纤隔离器用以保证光路传输的方向。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述转化单元、处理单元以及光源单元设置在设备机架内,而所述监测单元与所述碳刷相连接,其彼此之间通过光缆连接。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述监测单元与所述设备机架之间的光缆上设置有连接单元,用以连接自所述监测单元延伸出的光缆和与所述设备机架相连通的光缆。
作为本实用新型所述的碳刷监测系统的一种优选方案,其中:所述连接单元包括法兰盘和连接器,便于光缆之间的连接和拆卸维护。
本实用新型的有益效果:本实用新型的提供的碳刷监测系统,能够全天候对碳刷的状态进行监测,为供电监控中心提供准确的判断参考数据,确保供电系统稳定运行;而且能够避免人工的巡检的方式,减少人力成本,节约资源,而且能够有效避免人工巡检过程中的安全风险。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本实用新型一个实施例中所述一种碳刷监测系统的原理示意图;
图2为本实用新型图1所示实施例一种碳刷监测系统的结构示意图;
图3为本实用新型图1所示实施例中所述连接单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型,但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广,因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
如图1所示,图1示出了一种碳刷监测系统的原理示意图。该碳刷监测系统应用于发电机碳刷上,实现对碳刷温度的监测。在此实施例中的碳刷监测系统,其包括了用于监测碳刷状态的监测单元100,与监测单元100相连的光源单元400和转化单元200,以及与转化单元200相连接的处理单元300。上述四个单元其彼此之间通过光缆相连接,其中,光源单元400为监测单元100提供光线作为激励信号源;监测单元100能够随温度的变化而对射入的光线的光波发生感应变化,并将该光信号反馈至转化单元200;转化单元200将监测单元100反馈来的光信号转化为相对应的电信号;处理单元300对获取的电信号进行计算、处理,完成对碳刷温度的实时在线监测。
在这一实施例中,监测单元100包括前端传感光缆,前端传感光缆包括间距可变的光纤光栅温度传感器,用以检测碳刷的温度参量。光纤光栅温度传感器通过其有效折射率和光栅周期在外界温度改变时发生变化,由此导致光纤光栅的反射波长发生移动,来检测碳刷的温度参量。在此,光纤光栅的反射波长发生移动,其与温度变化的关系为:
Δλ B λ B = ( α S + ζ S ) Δ T
式中:ζs=1/neff=△neff/△T为光纤的热光系数,描述光纤折射率随温度的变化关系;αs=1△λ/λ△T为光纤的热膨胀系数,描述光栅的栅距随温度的变化关系。从公式可以看出△λB与△T之间呈线性关系,通过测量光纤光栅反射波长的移动,便可以确定环境温度。
也即,该碳刷监测系统将特殊定制的光纤光栅温度传感器安装在碳刷上,光纤光栅温度传感器在经过光源单元400作为激励信号源入射后,通过转化单元200检测其反射或透射出的光信号,使之转化为对应电信号,并将转换结果传输到处理单元300内,通过处理单元300对获取的信号进行计算、处理,最后完成碳刷温度实时在线监测。
具体的,光源单元400包括可调谐光源模块,其包括ASE光源(即放大自发辐射光源)、光纤隔离器、固定光衰减器和可调谐F-P滤波器(Fabry-Perot滤波器),ASE光源发出的光通过固定光衰减器,使得输入到可调谐F-P滤波器的光符合其入口功率的限制要求,ASE光源与可调谐F-P滤波器之间的光纤隔离器用以保证光路传输的方向。光纤隔离器能够保证光的单向运行,防止反向光损坏其他器件。此时,因为温度信号是加载在反射光波中的,通过反射光的传递,由监测单元100收集,最后通过解调等办法,提取出所需的温度信息。因此,碳刷监测系统必须有稳定的光源单元400,为整个碳刷监测系统提供载波光信号。光源单元400的上述部件拥有调节机制,能够根据实际情况调节光功率,提高检测精度,同时保证系统安全。
在另一个实施例中,光源单元400包括可调谐光源模块外,还包括波长矫正模块。在这一实施例中,所指出的可调谐光源模块也包括ASE光源(即放大自发辐射光源)、光纤隔离器、固定光衰减器和可调谐F-P滤波器(Fabry-Perot滤波器),ASE光源发出的光通过固定光衰减器,使得输入到可调谐F-P滤波器的光符合其入口功率的限制要求,ASE光源与可调谐F-P滤波器之间的光纤隔离器用以保证光路传输的方向。光纤隔离器能够保证光的单向运行,防止反向光损坏其他器件。此时,因为温度信号是加载在反射光波中的,通过反射光的传递,由监测单元100收集,最后通过解调等办法,提取出所需的温度信息。因此,碳刷监测系统必须有稳定的光源单元400,为整个碳刷监测系统提供载波光信号。光源单元400的上述部件拥有调节机制,能够根据实际情况调节光功率,提高检测精度,同时保证系统安全。但由于初始光信号在传输过程中,信号会发生变化,波长矫正模块将波长标定,此时,将可调谐F-P滤波器得到光谱电信号的采样点与波长一一对应,为可调谐F-P光滤波器非线性标定提供参考波长。波长矫正模块能够大幅度提高波长定位精度,降低由于滤波器非线性带来的误差,对可调谐光滤波器非线性起标定作用。通过该模块后,可以完成高精度解调的结果。
较佳地,波长矫正模块由F-P标准具和PIN探测器组成。光源单元400的一部分输出光分配给光纤F-P标准具,由转化单元200将光纤F-P标准具输出的光信号转化为电压模拟信号,并输入到采集卡,由采集卡控制扫描帧获得光纤F-P标准具的光谱图,通过处理单元300进行算法处理,将由可调谐F-P滤波器得到光谱电信号的采样点与波长一一对应,为可调谐光滤波器非线性标定提供参考波长,从而对可调谐光源输出波长进行校正。大幅度提高波长定位精度,降低了由于滤波器非线性带来的误差,对可调谐F-P滤波器非线性起标定作用。
转化单元200包括探测器模块,其接收前端传感光缆中正向传播和反向传播的两路光信号,并将光信号转换为电信号。转化单元200的工作原理基于光电效应。光电效应是物理学中一个重要的现象,金属表面在光辐照作用下,只要光的频率超过某一极限频率,受光照射的金属表面电子吸收光子能量被激发,就会发射电子,即光电效应。在金属外面加一个闭合电路,加上正向电源,这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流,进而完成光能量到电能的转化。
探测器模块将采集到的光信号转化为电压模拟信号,转化单元200利用输入的电压模拟信号,输出模拟或数字信号,来控制可调谐F-P滤波器,最后传回给处理单元300,完成最后的数据处理工作。
在此需要指出的是:碳刷监测系统还包括电压单元(图中未示出),用于为系统内的其它单元提供工作电压。系统内各单元的工作电压并非国家标准供电系统所提供的220V,因此需要有变压系统实现电压的转换。电压单元利用外接的220V电源作为输入源,可同时输出+5V、+12V和+48V等多种电压,保证各单元的工作需求。
参见图2和图3,转化单元200、处理单元300以及光源单元400皆设置在设备机架500内,而监测单元100与碳刷相连接,其彼此之间通过光缆连接。监测单元100与设备机架500之间的光缆上还设置有连接单元600,用以连接自监测单元100延伸出的光缆和与设备机架500相连通的光缆。
发电机检修时,设备机架500可能会整体吊走检修,因此在风洞位置设计安装一个连接单元600作为设备机架500内设备(转化单元200、处理单元300以及光源单元400等)和后端设备(监测单元100等)的分离点。在设备机架500需要整体吊走前,仅仅需要把连接单元600内光缆连接器602拔出即可实现分离。连接单元600如图3所示,连接单元600包括法兰盘601和连接器602,便于光缆之间的连接和拆卸维护。
如上所述,本实用新型的提供的碳刷监测系统,能够全天候对碳刷的状态进行监测,为电厂监控中心提供准确的判断参考数据,确保发电系统稳定运行;而且能够避免人工的巡检的方式,减少人力成本,节约资源,而且能够有效避免人工巡检过程中的安全风险。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种碳刷监测系统,包括用于监测碳刷状态的监测单元(100),其特征在于:还包括,与监测单元(100)相连的光源单元(400)和转化单元(200),以及与转化单元(200)相连接的处理单元(300);
所述光源单元(400)为所述监测单元(100)提供光线作为激励信号源;
所述监测单元(100)能够随温度的变化而对射入的光线的光波发生感应变化,并将该光信号反馈至所述转化单元(200);
所述转化单元(200)将所述监测单元(100)反馈来的光信号转化为相对应的电信号;
所述处理单元(300)对获取的电信号进行计算、处理,完成对碳刷温度的实时在线监测。
2.如权利要求1所述的碳刷监测系统,其特征在于:所述监测单元(100)包括前端传感光缆,所述前端传感光缆包括间距可变的光纤光栅温度传感器,用以检测碳刷的温度参量。
3.如权利要求1或2所述的碳刷监测系统,其特征在于:所述转化单元(200)包括探测器模块,其接收前端传感光缆中正向传播和反向传播的两路光信号,并将光信号转换为电信号。
4.如权利要求1或2所述的碳刷监测系统,其特征在于:所述光源单元(400)包括可调谐光源模块,其包括ASE光源、光纤隔离器、固定光衰减器和可调谐F-P滤波器,ASE光源发出的光通过固定光衰减器,使得输入到可调谐F-P滤波器的光符合其入口功率的限制要求,ASE光源与可调谐F-P滤波器之间的光纤隔离器用以保证光路传输的方向。
5.如权利要求1所述的碳刷监测系统,其特征在于:所述转化单元(200)、处理单元(300)以及光源单元(400)设置在设备机架(500)内,而所述监测单元(100)与所述碳刷相连接,其彼此之间通过光缆连接。
6.如权利要求5所述的碳刷监测系统,其特征在于:所述监测单元(100)与所述设备机架(500)之间的光缆上设置有连接单元(600),用以连接自所述监测单元(100)延伸出的光缆和与所述设备机架(500)相连通的光缆。
7.如权利要求6所述的碳刷监测系统,其特征在于:所述连接单元(600)包括法兰盘(601)和连接器(602),便于光缆之间的连接和拆卸维护。
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