G58风电机组集电环磨损原因分析及改善

赵慧玲，朱先勇，刘 润

● （吉林大学 工程训练中心，吉林长春 130025）

G58风电机组集电环磨损原因分析及改善

赵慧玲，朱先勇，刘 润

● （吉林大学 工程训练中心，吉林长春 130025）

G58-850风电机组在实际运行过程中，集电环容易因磨损报废，造成多台机组停转，影响整套电力系统的正常运行。本文从工作环境、环面材料等方面分析了集电环的磨损机理，从改善金属材料、部件受力情况等方面研发新型集电环，设计试验对新型集电环性能测试。实验结果表明改善金属材料后的集电环较旧型性能更好。

风电机组；集电环；磨损

0 引言

位于吉林省境内的某风电场共装设G58-850机组294台。自2011年初投入运行以来共损坏发电机集电环63台次，报废率达21%。集电环的损坏造成多台风电机组停转，同时也影响风电场的生产效率。工程实践发现，集电环磨损过快主要原因是集电环环面温度过高，放电点蚀使其氧化膜受到破坏，磨损速度极剧增加。同时，环面金属材料与碳刷之间摩擦系数过大也是引起集电环环面磨损严重的主要原因。

本文主要从工作环境、环面材料等方面分析了集电环的磨损机理，从改善金属材料、部件受力情况等方面研发新型集电环，设计试验对新型集电环性能测试。

1 风电机组集电环的磨损机理分析

由于受到工作环境和自身材料两方面的影响，风电机组集电环在工作过程中磨损现象严重，故障率高。

图1 已磨损集电环

在风电机组中，发电机集电环环面和碳刷相接触。由于碳刷架弹簧压力作用和材料弹性变形，二者的直接接触部分在长期的工作过程中互相嵌入。相对滑动时，因机械摩擦而造成磨损。若碳刷颗粒细软，则碳粉易附着在滑环表面，形成亮滑的石磨镜面，机械磨损较小。碳刷材质过软，滑环室易积聚碳粉，造成相间短路；碳刷材质过硬，或含有如金刚砂之类的硬质颗粒，则必然使机械磨损增加，造成集电环环面快速磨损。图1所示为集电环磨损图片。由图1可见，集电环接地相磨损已超2mm。严重影响机组的安全运行。

此外，碳刷经碳刷架作用与集电环滑动摩擦接触，碳刷架弹簧压力的大小及碳刷中心线是否与环面垂直直接影响碳刷的导电性能，并造成集电环环面磨损过快。由工作现场经验可知，碳刷架弹簧压力在 2.2N/cm2±10%范围内。弹簧压力过小，碳刷和滑环表面接触不稳定，容易引起电弧，使电气磨损增大；压力过大，刷面的硬粒对滑环环面磨损严重。

2 新型集电环的材料设计

为解决旧型集电环磨损过快的问题，设计新型集电环材料，使之满足工作环境对产品寿命等方面的要求。

旧型集电环内部材质为不锈钢，外部环面主要材质为磷青铜，新型集电环较旧型集电环环面在环面修复过程中增加了锡、锌与铅的成分，在保证电导率、密度、软化温度及晶粒度基本不变的前提下提高环面耐磨能力（硬度），增强了导电性能。新型集电环较旧型集电环环面的金属组

成成分及技术参数见下表1及表2。

表1 旧型及新型集电环主要化学成份（%）

表2 旧型及新型集电环的主要技术参数

新型和旧型集电环金相组织图如图2所示。

图2 旧型及新型集电环金相组织图

由图2可知，新型集电环较旧型集电环的金相组织分布均匀。均匀的金相组织使集电环与碳刷相对运动时形成良好的润滑膜，从而保持正常的滑动接触状态。由于新型集电环环面与碳刷间的研磨作用使润滑膜薄而均匀完整，摩擦系数能稳定在较低的数值上，可有效降低摩擦系数。

3 摩擦实验的设计与结果分析

为检验新型集电环在实际工况中的磨损性能，设计了摩擦实验。实验系统用来仿真集电环的真实工作环境中的磨损情况。

实验采用吉林大学铸造实验室生产的集电环环面用铜毛坯。每炉浇铸30个集电环毛坯，单环直径230mm，密度为8.8g/cm³。选取4件G58型风机配套碳刷，再选取新型集电环与 G58机组原装集电环作对比试验。复合材料摩擦系数实验按GB12175-90标准在自制的磨损试验台上进行。将铜环毛坯加工成外径230mm、内径80mm、厚20mm铜环后安装在自制实验台上，如图3所示。该实验台转速范围为0r/s～2500r/s，可提供2000A测试电流，可检测电阻率及接触电压降，能够模拟出集电环在风机上正常运转情况下的工况，从而检测在不同工况下集电环与碳刷的工作状态。采用摩擦磨损实验机进行实验，磨损条件为干滑动摩擦磨损，实验参数及结果如表3所示。

在磨损条件、试验参数与试验设备相同的条件下，优化铜合金材料后改善了集电环环面与碳刷的接触摩擦效果。旧型及新型集电环磨损过程摩擦系数变化如图 4所示。

图3 集电环的磨损实验台

表3 磨损实验参数及结果对比

图4 旧型及新型集电环磨损过程摩擦系数变化

4 结论

新型集电环较旧型集电环环面在环面修复过程中增加了锡、锌与铅的成分，在保证电导率、密度、软化温度及晶粒度基本不变的前提下提高环面耐磨能力，增强了导电性能。新型环面与碳刷间的研磨作用使润滑膜薄而均匀完整，摩擦系数稳定在一个较低的值上，有效降低了摩擦系数。此外，将弹簧压力控制在允许范围内，保证碳刷中心线垂直于滑环环面，对集电环与碳刷定期检查，也可提高集电环的使用寿命。

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Analysis and Improvement of Collector Ring’s Abrasion in G58 Wind Turbine

ZHAO Hui-ling, ZHU Xian-yong, LIU Run
(Engineering Training Center, Jilin University, Changchun 130025, China)

In the running process of G58-850 wind turbine, the collector ring is easily discarded because of abrasion, which causes many units stopped and affects the normal operation of the whole power system. This paper analyzes the abrasion mechanism of the collector ring based on the working environment and surface materials, develops a new collector ring according improving metal materials and the force components, and designs a performance test of new collector ring. The experimental results show that the improved collector ring’s properties is better than the old type

wind turbine; collector ring; abrasion

G482

A

长春市科技计划项目，计划项目编号：12ZX29。

赵慧玲（1970-），女，高级工程师。主要从事机电一体化领域的教学与研究工作。

朱先勇。