本发明专利技术提供了水轮发电机碳刷与集电环载流界面间隙放电模拟试验装置及方法，它包括碳刷，所述碳刷由碳刷夹具夹持，所述碳刷夹具固定于固定平台；所述集电环放置于高精度升降台上；电路系统由电流传感器，直流电压源电压传感器组成，所述电路部分提供放电试验电压，并实时记录放电过程中的电压、电流；所述碳刷与所述集电环放电过程中产生的火花由高速相机观察并记录图片，为使所述高速相机捕获更清晰的放电图片，在所述高速相机拍摄产生的火花的背面放置遮光板。所述高速相机捕获的火花照片由python进行程序处理，计算出照片中火花像素点数。点数。点数。
【技术实现步骤摘要】
水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置及方法
[0001]本专利技术涉及载流摩擦放电试验装置领域，尤其涉及水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦火花模拟试验装置。
技术介绍
[0002]水轮发电机的碳刷/集电环组件是将发电机组励磁电流导入转子绕组的关键部件，二者采用滑动接触的方式来实现电流的传导。碳刷/集电环摩擦副属于典型的大电流、低接触压力工况下的滑动摩擦副，在此工况下摩擦副表面接触属于较复杂的电接触与机械接触共同耦合的接触模型，实践表明碳刷/集电环在运行的过程中会出现诸多的问题，在工程上比较常见的有接触面温度过高、碳刷异常磨损、碳刷打火、严重时会出现碳刷刷握及集电环烧损等事故。研究表明打火烧蚀现象的原因与碳刷/集电环的结构特性有很大关系。由于机加工精度，安装工艺等多种因素的影响，集电环运行过程中存在偏心摆振，当集电环偏心振动时，碳刷和集电环接触的界面之间会产生瞬时间隙，界面之间产生的间隙会导致间隙放电，在摩擦表面产生打火电弧，形成烧蚀，导致碳刷/集电环系统温度过高，严重的甚至导致环火，严重影响机组安全运行目前，根据现场实际调研，我国各类大小型水轮发电机组在运行时机组都会存在一定的摆动，由此导致的碳刷打火现象也时有发生，但是产生打火现象的具体原因目前还尚不明确，且火花的出现速度极快，难以表征，为了具体研究这一问题，迫切需要设计出一种能够模拟设计出一种能够模拟水轮发电机载流摩擦放电模拟试验机并找到表征电火花强度的试验方法，用来观察不同运动方向，不同极性条件下，碳刷/集电环间隙放电的形貌特征，位置变化，强度变化，观察影响间隙的因素，研究间隙与放电的具体关系，获取最危险或安全间隙，为水轮发电机碳刷/集电环系统结构与参数设计提供参考。
[0003]因此，针对以上情况，设计出一种能够模拟水轮发电机载流摩擦放电模拟试验机并找到表征电火花强度的试验方法是非常有必要的。
技术实现思路
[0004]由于目前还没有用于此类测试试验的试验机，本专利技术设计出一种用于水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置与表征电火花强度的试验方法。
[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供解决目前水轮发电机在偏心摆动下出现的碳刷与集电环打火现象，提出一种能够模拟水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置与试验方法。
[0006]为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置，它包括待试验的碳刷和集电环，所述碳刷由碳刷夹具夹持，所述碳刷夹具固定于固定平台；所述集电环放置于高精度升降台上；还包括电路系统，所述电路系统由电流传感器，直流电压源和电压传感器组成，所述电路系统部分提供放电试验电压，并实时记录放电过程中的电压、电流；
所述碳刷与所述集电环放电过程中产生的火花由高速相机观察并记录火花图像，为使所述高速相机捕获更清晰的火花图像，在所述高速相机拍摄产生的火花的背面放置遮光板；所述高速相机捕获的放电照片由python图像处理程序进行处理，并计算出火花图像中火花像素点数。
[0007]所述碳刷和集电环二者保持平行但不接触，通过高精度升降台来调整二者之间的间隙距离，所述高精度升降台为高精度光学试验升降台，最小可调距离达到微米级。
[0008]所述电路系统中直流电压源两端分别与碳刷和集电环相连为其提供放电所需电压，电压传感器与直流电压源并联，通过记录仪实时记录实验过程中的电压，电流传感器串联在电路中，通过记录仪实时记录实验过程中的电流。
[0009]所述高速相机聚焦于碳刷和集电环之间的间隙，其后有黑色遮光板为背景，保证拍摄照片火花清晰且除火花外其余部分为黑色；所述高速相机拍摄速度至少达到一秒钟500张，所有照片大小和分辨率一致。
[0010]所述python图像处理程序将高速相机捕获的火花图像更清晰的输出并计算出火花图像中火花部分的总像素点数。
[0011]python图像处理程序的具体处理过程包括：输入图像、灰度化、滤波、二值化、消除噪声最后输出图像并提取面积。
[0012]采用所述载流摩擦磨损试验台进行水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验测试的方法，它包括以下步骤：步骤1：在进行碳刷与集电环间隙放电试验时，将准备好的待试验的碳刷放入碳刷夹具之中，将待试验的集电环放在高精度升降台上，二者保持接触使间隙为0mm；步骤2：连接好电路系统，直流电压源正极与碳刷相连接，负极与集电环相连接，电流传感器串联在电路之中，电压传感器并联在电路之中，且电流传感器与电压传感器皆与记录仪相连；步骤3：按下直流电压源开关，降低升降台距离，使碳刷与集电环之间的间隙距离从0mm缓慢匀速调整到1mm，使用高速相机捕获放电时的火花图像，并记录此时的间隙距离，结束后断开直流电压源开关，保存记录仪的电压电流数据；步骤4：按下直流电压源开关，降低升降台距离，使碳刷与集电环之间的间隙距离从1mm缓慢匀速调整到0mm，使用高速相机捕获放电时的火花图像，并记录此时的间隙距离，结束后断开直流电压源开关，保存记录仪的电压电流数据；步骤5：直流电压源正极与集电环相连接，负极与碳刷相连接，然后重复步骤3和4；步骤6：使用python图像处理程序将高速相机捕获的火花图像更清晰的输出并计算出图像中火花部分的总像素点数，然后取平均值来表征间隙放电相对强度，画出记录仪中的电流电压曲线。
[0013]本专利技术有如下有益效果：1、本专利技术使用了试验与程序结合的方式来进行放电试验，找到了一种表征放电火花相对强度的方法。
[0014]2、本专利技术试验方法与装置便于反复试验，适合放电原理探究。
[0015]3、本专利技术从界面放电特性出发，设计多组界面间隙放电试验。观察不同运动方向，
不同极性条件下，碳刷/集电环间隙放电的形貌特征，位置变化，强度变化，观察影响间隙的因素，研究间隙与放电的具体关系，获取最危险或安全间隙，为水轮发电机碳刷/集电环系统结构与参数设计提供参考。
附图说明
[0016]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0017]图1为本专利技术整体试验原理图。
[0018]图2为本专利技术电路系统图。
[0019]图3为本专利技术python图像处理步骤图。
[0020]图4为本专利技术电源电压与放电间隙距离的关系。
[0021]图5为本专利技术正极接近试验界面放电形貌原图。
[0022]图6为本专利技术正极接近试验界面放电形貌处理过后形貌放大图片。
[0023]图7、8为本专利技术正极接近实验两组界面放电面积/白色像素点数变化图，其中距离从0.3
‑
0.2mm。
[0024]图9为本专利技术正极接近试验放电相对强度与间隙距离的关系图。
[0025]图10为本专利技术正极远离试验界面放电形貌原图。
[0026]图11为本专利技术正极远离试验界面放电形貌处理过后形貌放大图片。
[0027]图12为本专利技术正极远离试验放电相对强度与间隙距离关系。
[0028]图13为本专利技术负极接近试本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置，其特征在于：它包括待试验的碳刷（3）和集电环（9），所述碳刷（3）由碳刷夹具（2）夹持，所述碳刷夹具（2）固定于固定平台（1）；所述集电环放置于高精度升降台（8）上；还包括电路系统，所述电路系统由电流传感器（4），直流电压源（5）和电压传感器（7）组成，所述电路系统部分提供放电试验电压，并实时记录放电过程中的电压、电流；所述碳刷（3）与所述集电环（9）放电过程中产生的火花由高速相机（10）观察并记录火花图像，为使所述高速相机（10）捕获更清晰的火花图像，在所述高速相机（10）拍摄产生的火花的背面放置遮光板（6）；所述高速相机（10）捕获的放电照片由python图像处理程序进行处理，并计算出火花图像中火花像素点数。2.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置，其特征在于：所述碳刷（3）和集电环（9）二者保持平行但不接触，通过高精度升降台（8）来调整二者之间的间隙距离，所述高精度升降台（8）为高精度光学试验升降台，最小可调距离达到微米级。3.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置，其特征在于：所述电路系统中直流电压源（5）两端分别与碳刷（3）和集电环（9）相连为其提供放电所需电压，电压传感器（7）与直流电压源（5）并联，通过记录仪（11）实时记录实验过程中的电压，电流传感器（4）串联在电路中，通过记录仪（11）实时记录实验过程中的电流。4.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置，其特征在于：所述高速相机（10）聚焦于碳刷（3）和集电环（9）之间的间隙，其后有黑色遮光板（6）为背景，保证拍摄照片火花清晰且除火花外其余部分为黑色；所述高速相机（10）拍摄速度至少达到一秒钟500张，所有照片大小和分辨率一致。5.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷/集电环界面间隙放电模拟试验装置，其特征在于：所述python图像...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，赵新泽，肖水淋，李雪强，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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