热电发电机集电环温度在线监测装置的制作方法

本实用新型涉及电机部件技术领域，尤其涉及热电发电机集电环温度在线监测装置。

背景技术：

集电环属于热电发电机传递能量的重要部件之一。运行中的发电机若出现集电环故障会影响励磁电流的正常输入,从而影响机组的安全稳定运行。

目前，对热电发电机集电环温度检测大多数仍依靠运行维护人员定期巡检的方式实现。这种方式下，运维人员通过手持热成像仪对准集电环读取温度，由于是定期巡检，存在维护人员工作量大、效率低下、温度检测不连续、存在安全隐患等显著缺点，而且有失科学性，不符合电站智能化、无人化的大趋势。

除此之外，目前还有一种热电发电机集电环温度检测方式普遍被使用。该方式通过布置在发电机集电环及碳刷室上方的红外热成像摄像机采集集电环温度。对于一般的大型热电发电机来说，其碳刷刷架均匀分布在集电环的上半外周。当碳刷和刷架安装完成后，刷握之间的空隙非常小，通常只有十几毫米，上方的摄像机安装在这种条件下，视角几乎被遮挡或干扰。因此，该种监测热电发电机集电环的方式效果并不理想。

国家知识产权局于2018年05月25日公开了申请号为CN201721332876.1,名称为水轮发电机集电环运行时的温度与火花监测系统的实用新型专利,公开了一种水轮发电机集电环运行时的温度与火花监测系统，所述系统包括集电环、红外线温度传感器、以及用于温度采集及分析处理的仪表装置，所述红外线温度传感器设置在集电环外，且红外线温度传感器与集电环之间具有一定测量距离，所述红外线温度传感器安装于固定支架上，红外线温度传感器与仪表装置相连。

国家知识产权局于2016年12月07日公开了申请号为CN201620496862.2,名称为一种集电环无线测温在线监测装置的实用新型专利,公开了一种集电环无线测温在线监测装置，包括集电环、无线温度传感器、无线接收仪表，所述无线温度传感器的感温面与集电环上的导电环有效接触，所述无线温度传感器、无线接收仪表通过无线传输信号连接。

国家知识产区局于2016年10月12日公开了申请号为CN201620285613.9,名称为发电机集电环热成像在线监测系统的实用新型专利,公开了一种发电机集电环热成像在线监测系统，包括红外热成像监测装置、预警装置和用于对红外热成像监测装置采集进行处理的控制系统，所述控制系统通过网络传输系统分别连接所述红外热成像监测装置和预警装置，红外热成像监测装置安装于机组集电环正极和负极外周；本实用新型所述发电机集电环热成像在线监测系统通过对红外热成像监测装置的设置，提供在线热像视角，方便用户观察所监控的机组及对应部位的温度分布情况，通过预警装置的设置，当监控设备的温度超出制定的阈值，系统将进行报警，包括语音报警及文字信息提醒，实现远程监视和越限报警功能后发现了大量的碳刷缺陷，避免了多起设备损坏事故的发生，保障电力设备乃至电网的安全运行。

上述现有技术中，存在以下几个问题：

1、第一件专利中，红外温度传感器设置在集电环外，与集电环之间具有一定的距离，没有近距离、直接对射集电环，中间会有遮挡和干扰。第一件专利中所述温度监测装置适用于碳刷室空间较大机组（如水轮发电机组），热电发电机碳刷室空间狭小，设备布置紧凑，使用效果不理想。

2、第二件专利中，无线温度传感器的感温面与集电环上的导电环有效接触，存在较大的安全隐患。另外发电机碳刷室附件电磁干扰较大，容易对无线传输造成影响。

3、第三件专利中和第一件类似，如果在热电电机中使用，存在视角遮挡、采集受限等不足。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提出了热电发电机集电环温度在线监测装置,能够对热电发电机集电环温度进行实时监测。本实用新型选用一种外形尺寸和探测距离极小的红外温度探头，以便能够适应热电发电机集电环、碳刷室空间紧凑狭小的特点；结合主机碳刷刷握的结构特点，巧妙选择红外温度探头的安装位置，将红外温度探头布置在刷盒内预留的碳刷位置，保证温度采集视角无遮挡，并且能够有效的避免热电发电机碳刷室空间小，智能传感器安装不便的问题，这一点有别于水轮发电机目前所采取的集电环红外温度检测方式，并且本实用新型所述的温度采集方案还可以普遍应用于其他各种类型的发电机中；装置采用元件配套的信号电缆传输信号，具有很强的抗干扰能力和防护等级，能够适应集电环碳刷室复杂运行环境。

本实用新型通过以下技术方案来实现的:

热电发电机集电环温度在线监测装置,包括设置在热电发电机励端的刷架；刷架上排列设置有多个刷握；刷握竖直下方为集电环；刷握包括依次连接的刷握手柄、装配体和刷盒；所述刷盒分隔成多个碳刷小室，所述碳刷小室内设置有碳刷或者红外温度探头；预留一个碳刷小室用以安装红外温度探头。每个碳刷分别连接一个卷簧，所述卷簧一端用螺栓把合固定在刷握底板上，另一端抵住碳刷；卷簧抵住碳刷就是卷簧与碳刷直接接触，依靠卷簧的弹力压紧碳刷，使碳刷与集电环完全接触。红外温度探头固定在绝缘固定架上，探测端朝向集电环，另一端连接信号光缆；信号光缆连接信号处理单元；绝缘固定架设置在所述刷盒内预留的碳刷小室内壁上。

本实用新型将刷盒内部的多个碳刷小室中，选取一个安装绝缘固定架，然后将红外温度探头设置在绝缘固定架上，同时红外温度探头通过信号光缆与信号处理单元连接。

本实用新型中的信号处理单元与前端红外探头为成熟的配套产品。前端红外探头通过网络将数据传输到数据处理单元，远程实时监管和24小时不间断在线运行，大大减少运维工作量和人力投入。

测温原理：物体表面温度如果超过绝对零度即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm到1μm间的电磁波称为“红外线”，而人类视觉可见的“可见光”介于0.4μm到0.75μm。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。红外线在地表传送时，会受到大气组成物质( 特别是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收，强度明显下降，仅在短波3μ~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率，通称大气窗口，红外热像仪（大部分）就是针对这两个波段进行检测，然后计算并显示物体的表面温度分布。

本实用新型的绝缘固定架将红外温度探头固定在刷盒内部，保证了红外温度探头的红外温度探测视场。同时，因为红外温度探头的外壳是采用金属制成的，需要与刷盒之间做好绝缘。因此绝缘固定架是设置在刷盒内壁上的，将红外温度探头卡在中间，这样既能将红外温度探头的位置进行固定，防止红外探头悬空摇摆，保证红外温度探头的视场；同时完成了红外温度探头与刷盒之间的绝缘。刷握是带电的，如果不绝缘，会损坏检测元件。

本实用新型的绝缘固定架包括上下两瓣绝缘固定架，红外温度探头卡在两个绝缘固定架之间；且绝缘固定架分别与刷盒的侧壁可拆卸式连接。

进一步地，本实用新型的绝缘固定架可以与刷盒的侧壁通过螺栓的连接方式进行连接。

本实用新型的绝缘固定架包括与刷盒贴合的接触面Ⅰ，还包括与红外温度探头接触的接触面Ⅱ。接触面Ⅰ为平面；接触面Ⅱ为弧面，且与红外温度探头的弧面配合。

本实用新型还包括设置在热电发电机励端的刷架挡风板；刷架对称设置在刷架挡风板两侧；刷握在水平线上排列成一条直线。

本实用新型的信号处理单元设置在刷架挡风板外壁上，碳刷小室没有信号处理单元的空间，信号处理单元就近安装可以减少信号光缆的使用长度，因此将信号处理单元设置在刷架挡风板外壁上。

本实用新型的刷盒内部设置有三个碳刷和一个红外温度探头；碳刷和红外温度探头相互平行且水平间距相等，且均与竖直下方的集电环垂直。

本实用新型的每个刷盒内部可选择性的设置有红外温度探头。为了保证对竖直下方集电环温度探测范围更加广泛，可在每个刷盒内部都设置一个红外温度探头，且相邻刷盒内部的红外温度探头之间的水平间距相等。

本实用新型的信号光缆连接信号处理单元后，信号处理单元按照特定的算法和目标发射率校正后，输出被测目标的温度，从而实现热电机组集电环温度的实时在线监测。

进一步地，本实用新型的刷握上还设置有铜导线。铜导线和外部的励磁电流输入端子相连，其作用是传输励磁电流。

进一步地，本实用新型装配体上还设置有用以拆装刷握时防止碳刷掉落的电刷保持板。

进一步地,本实用新型的信号光缆通过插拨式接线端子与所述信号处理单元连接,方便碳刷刷握的拆装。

进一步地，本实用新型的刷握手柄采用的是绝缘材料制成，本实用新型的刷盒采用的是金属材料制成。

本实用新型的装配体设置在套筒内部，套筒和刷握底板一体成型。

本实用新型带来的有益效果有：

（一）本实用新型针对目前热电发电机集电环温度探测中，温度视角几乎被遮挡或干扰的问题，本实用新型由于刷握开口正对集电环安装，所以封装在碳刷盒内的测温探头能够近距离、无遮挡地采集到集电环表面发射的红外辐射光线，红外温度探头通过特殊的电缆将信号转送给后置信号处理单元。信号处理单元按照特定的算法和目标发射率校正后，输出被测目标的温度，从而实现热电机组集电环温度的实时在线监测。

（二）本实用新型的热电发电机集电环温度在线监测装置，固定方便，制造工艺简单，成本较低；利用红外原理测温，不用接触被测物体，避免了相互间的接触性损伤，且响应时间短，使用寿命长。

（三）本专利的温度在线监测装置，安装尺寸小，结构简单，可以很好的解决长期以来一直困扰设计人员的集电环碳刷室结构紧凑、空间有限、智能化检测单元安装困难等问题，能够适用于各种型号尤其是集电环碳刷室空间狭小的热电发电机机组集电环温度的在线监测，避免了大量的非科学性的人力维护工作，同时也能方便的实现投运发电机集电环温度的在线监测。

（四）本实用新型的热电发电机组集电环温度在线监测装置，不仅可以运用于各种热电发电机，特别是调相机对集电环温度的实时监测，还可运用于其它各种规格的有刷电机集电环温度在线检测。后续还可将该温度信息通过网络交换机上传到远程监控计算机，实现集电环碳刷室集电环运行状态的远程监控，实现机组设备安全隐患的提前排查和预防，符合智能化电站发展趋势，为机组维护、电站运行的无人化、少人化值班提供了可能。

附图说明

图1为本实用新型的示意图。

图2为红外温度探头在刷握中的位置示意图。

图3为红外温度探头在刷盒中的示意图。

图4为发电机励端正极或负极刷握的俯视图展开。

其中，1、刷架，2、刷握，3、集电环，4、刷握手柄，5、装配体，6、刷盒，7、碳刷小室，8、碳刷，9、红外温度探头，10、卷簧，11、刷握底板，12、绝缘固定架，13、信号光缆，14、信号处理单元；16、接触面Ⅰ，17、接触面Ⅱ，18、刷架挡风板，19、铜导线，20、电刷保持板，21、套筒，22、红外温度探测视场。

具体实施方式

实施例1

如图1～图3所示：热电发电机集电环3温度在线监测装置,包括设置在热电发电机励端的刷架1；刷架1上排列设置有多个刷握2；刷握2竖直下方为集电环3；刷握2包括依次连接的刷握手柄4、装配体5和刷盒6；所述刷盒6分隔成多个碳刷小室7，所述碳刷小室7内设置有碳刷8或者红外温度探头9；每个碳刷8分别连接一个卷簧10，所述卷簧10一端用螺栓把合固定在刷握底板11上，另一端抵住碳刷8；红外温度探头9固定在绝缘固定架12上，探头朝向集电环3布置，另一端连接信号光缆13；信号光缆13连接信号处理单元14；绝缘固定架12设置在所述刷盒6内预留的碳刷小室7内壁上。

如图2所示：图中的碳刷8和卷簧10采用的是虚线表示，代表的本实用新型的红外温度探头9所在的位置即为原来碳刷8和卷簧10所在的位置。该处将原来碳刷8和卷簧10的空间预留给红外温度探头9。

本实用新型的绝缘固定架12将红外温度探头9固定在刷盒6内部，保证了红外温度探头9的红外温度探测视场。

如图4所示：红外温度探测视场是指的红外探测范围，在静止状态下，其探测视场如上图所示为一个圆形区域，每排刷握2中的温度探头相对前后两排错位布置，当集电环3运转时，其视场会并列成为一个环绕几乎整个集电环3表面的光带，由于集电环3是金属材质，其内部温度分部相对较均匀，所以该红外温度探测视场覆盖区域所探测到的温度值已经足以完整的代表发电机集电环3各部位真实温度。

同时，因为红外温度探头9的外壳是采用金属制成的，需要与刷盒6之间做好绝缘。因此绝缘固定架12是设置在刷盒6内壁上的，将红外温度探头9卡在中间，这样既能将红外温度探头9的位置进行固定，防止红外探头悬空摇摆，保证红外温度探头9的视场；同时完成了红外温度探头9与刷盒6之间的绝缘。

本装置中红外温度探头9可以卡在上下两瓣的绝缘固定架12上。

本实用新型的绝缘固定架12采用聚四氟乙烯或者聚酰胺1010制成。

由于本装置是采取非接触的方式进行温度检测，因此所选取的温度检测装置为红外温度传感器。红外温度探头9一旦由绝缘固定架12固定在刷盒6之中，就不会出现前后移动。红外温度探头9与刷盒6之间的电气绝缘依靠绝缘固定架12来保证。

本装置的红外温度探头9和信号处理单元14为德国某品牌CT系列红外测温仪，具有体积小、分辨率高、测量范围宽等特点，红外温度探头9配套特定的耐高温线缆和后置的信号处理单元14，耐高温线缆即本实用新型的信号光缆13，后置的信号处理单元14即本实用新型的信号处理单元14。信号处理单元14通过光纤或电缆将信号传输至终端控制单元（智能控制器）。该红外测温仪通过前端的红外温度探头9将所采集到的集电环3表面发射的红外辐射光线通过信号电缆转送给信号处理单元14，信号处理单元14按照特定的算法和目标发射率校正后，输出被测目标的温度，信号处理单元14还可将该实时温度值与预设的温度告警阈值进行比较，当碳刷8或滑环实时温度超出该阈值时，输出相应的报警信号。

红外温度探头9传送至信号处理单元14后所输出的模拟量和数字量信号通过电缆直接传输到就近布置的现地控制柜中的PLC作进一步的分析和处理及显示。

如图4所示:该图为发电机励端正极的刷握2或负极的刷握2的俯视图展开, 本例中发电机单极每排并列两把刷握2, 每把刷握2有四个碳刷小室7，每排共八个碳刷小室7，图中圆圈为红外温度探测视场22，为使红外探测视场22覆盖整个集电环3，按照图中所示将红外温度探头9在刷握2中错开排布，这样当集电环3沿着箭头方向转动时，圆圈所组成的光带就会完全覆盖整个集电环3。

实施例2

如图1～图3所示：热电发电机集电环3温度在线监测装置,包括设置在热电发电机励端的刷架1；刷架1上排列设置有多个刷握2；刷握2竖直下方为集电环3；刷握2包括依次连接的刷握手柄4、装配体5和刷盒6；所述刷盒6分隔成多个碳刷小室7，所述碳刷小室7内设置有碳刷8或者红外温度探头9；每个碳刷8分别连接一个卷簧10，所述卷簧10一端用螺栓把合固定在刷握底板11上，另一端抵住碳刷8；红外温度探头9固定在绝缘固定架12上，探测端朝向集电环3布置，另一端连接信号光缆13；信号光缆13连接信号处理单元14；绝缘固定架12设置在所述刷盒6内预留的碳刷小室7内壁上。

作为优选，本实用新型的绝缘固定架12包括上下两瓣绝缘固定架12，红外温度探头9卡在两个绝缘固定架12之间；且绝缘固定架12分别与刷盒6的侧壁可拆卸式连接。

本实用新型的绝缘固定架12包括与刷盒6贴合的接触面Ⅰ16，还包括与红外温度探头9接触的接触面Ⅱ17。

接触面Ⅰ16为平面；接触面Ⅱ17为弧面，且与红外温度探头9的弧面配合。接触面Ⅰ16与刷盒6的侧壁通过螺栓的连接方式进行连接。接触面Ⅱ17与红外温度探头9接触，同时两个绝缘固定架12将红外温度探头9夹在中间，给与红外温度探头9一个压力将其固定。

实施例3

如图1～图3所示：热电发电机集电环3温度在线监测装置,包括设置在热电发电机励端的刷架1；刷架1上排列设置有多个刷握2；刷握2竖直下方为集电环3；刷握2包括依次连接的刷握手柄4、装配体5和刷盒6；所述刷盒6分隔成多个碳刷小室7，所述碳刷小室7内设置有碳刷8或者红外温度探头9；每个碳刷8分别连接一个卷簧10，所述卷簧10一端用螺栓把合固定在刷握底板11上，另一端抵住碳刷8；红外温度探头9固定在绝缘固定架12上，探头朝向集电环3布置，另一端连接信号光缆13；信号光缆13连接信号处理单元14；绝缘固定架12设置在所述刷盒6内预留的碳刷小室7内壁上。

本实用新型还包括设置在热电发电机励端的刷架挡风板18；刷架1对称设置在刷架挡风板18两侧；刷握2在水平线上排列成一条直线。

本实用新型的信号处理单元14设置在刷架挡风板18外壁上。

实施例4

如图1～图3所示：热电发电机集电环3温度在线监测装置,包括设置在热电发电机励端的刷架1；刷架1上排列设置有多个刷握2；刷握2竖直下方为集电环3；刷握2包括依次连接的刷握手柄4、装配体5和刷盒6；所述刷盒6分隔成多个碳刷小室7，所述碳刷小室7内设置有碳刷8或者红外温度探头9；每个碳刷8分别连接一个卷簧10，所述卷簧10一端用螺栓把合固定在刷握底板11上，另一端抵住碳刷8；红外温度探头9固定在绝缘固定架12上，探头朝向集电环3布置，另一端连接信号光缆13；信号光缆13连接信号处理单元14；绝缘固定架12设置在所述刷盒6内预留的碳刷小室7内壁上。

本实用新型的刷盒6内部设置有三个碳刷8和一个红外温度探头9；碳刷8和红外温度探头9相互平行且水平间距相等，且均与竖直下方的集电环3垂直。

本实用新型的每个刷盒6内部可选择性的设置有红外温度探头9。为了保证对竖直下方集电环3温度探测范围更加广泛，可在每个刷盒6内部都设置一个红外温度探头9，且相邻刷盒6内部的红外温度探头9之间的水平间距相等。

实施例5

如图1～图3所示：热电发电机集电环3温度在线监测装置,包括设置在热电发电机励端的刷架1；刷架1上排列设置有多个刷握2；刷握2竖直下方为集电环3；刷握2包括依次连接的刷握手柄4、装配体5和刷盒6；所述刷盒6分隔成多个碳刷小室7，所述碳刷小室7内设置有碳刷8或者红外温度探头9；每个碳刷8分别连接一个卷簧10，所述卷簧10一端用螺栓把合固定在刷握底板11上，另一端抵住碳刷8；红外温度探头9固定在绝缘固定架12上，探头朝向集电环3布置，另一端连接信号光缆13；信号光缆13连接信号处理单元14；绝缘固定架12设置在所述刷盒6内预留的碳刷小室7内壁上。

进一步地，本实用新型的碳刷8尾部还设置有铜导线19。铜导线19和外部的励磁电流输入端子相连，其作用是传输励磁电流。励磁电流通过碳刷8而加到转动的转子上。

如图2所示，本实用新型还设置有电刷保持板20，电刷保持板20一端设置在装配体5上，另一端卡在碳刷8侧壁上，如图2中的实线表示的电刷保持板20。当拆装刷握2时，电刷保持板20的一头被压下，另一头就会翘起扣紧碳刷8与集电环3的接触面上，从而抵住碳刷8，如图2中虚线表示的电刷保持板20。

进一步地，本实用新型的刷握手柄4采用的是绝缘材料制成，本实用新型的刷盒6采用的是金属材料制成。

以上，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。