双馈风力发电机滑环、碳刷故障分析及解决措施探讨

2018-03-04钟绍辉解京晶

风能 2018年8期

文 | 钟绍辉，解京晶

滑环、碳刷装置是双馈异步风力发电机实现转子电流双向传输的关键部件。经统计，滑环、碳刷装置的故障率占比较高，经常造成电机无法启机、轴承损伤等故障。此类故障维修时间较长，损伤严重时需下架处理，给业主造成重大经济损失。因此提升滑环、碳刷装置的质量可靠性，对机组的安全、高效运行有着重要的意义。

本文对滑环的结构、工作原理做了简单阐述，主要介绍了滑环出现的各类型故障及相应的处理措施。

滑环、碳刷装置结构及功能

图1是双馈风力发电机滑环、碳刷装置的典型结构图，主要由导电环、刷架、刷握、碳刷、恒压弹簧等部件组成。导电环安装在电机主轴上，刷架系统固定在滑环室内，电机在高速旋转过程中，导电环与碳刷接触传导电流（其主要功能一方面是通过变频器为转子绕组提供励磁电流，另一方面是将转子绕组发出的电流引出，通过变频器反馈到电网上）。接地装置的作用是将电机转子产生的轴电流导出，避免轴承电蚀。

滑环、碳刷装置常见故障

（1）碳刷温度高，磨损快。

（2）滑环表面氧化膜损伤，环面有麻点、拉伤痕迹（图2）。

（3）碳刷与刷盒烧结，卡滞在刷盒中，刷盒有烧灼痕迹。

（4）碳刷磨损报警失效、报警开关触点断裂、恒压弹簧变色等。

引发故障的主要影响因素

一、滑环、碳刷冷却通风

滑环与碳刷在电机高速旋转中产生滑动电接触，滑动电接触的磨损形式主要分为电气磨损和机械磨损，这些磨损会产生大量的热量。如果不能及时有效地将这些热量带走，会造成滑环环面、碳刷温度急剧升高、氧化膜增厚、接触压降升高等不良影响。风力发电机滑环、碳刷装置安装在滑环室里面，滑环室的防护等级为IP23，空间比较封闭。因此，发电机滑环、碳刷运行中通风散热问题就显得尤其重要。

图1 滑环结构图

图2 环面损伤状况

风力发电机滑环冷却一般采用轴流风机、风扇或利用电机空冷器出风口风量对滑环、碳刷进行降温，同时将带有碳粉的空气排到机舱下部碳粉收集器中。因此，确保冷却风路通畅，才能达到冷却效果。

二、碳刷选型、安装

风力发电机目前大多采用的是进口品牌的碳刷，其品质比较可靠。选型方面应该注意的是与滑环导电环材质的匹配性问题（不同型号、不同厂家的电刷，其导电性和硬度存在差异。材质过硬，影响滑环和碳刷的动、静接触面，加大滑环摩擦，造成环面损伤；材质较软，电刷极易磨损，更换频繁，维护成本增加）。还有一方面就是针对不同环境采用不同材质的碳刷，一般情况下分为沿海型、平原型、高原型三类，针对风电机组不同运行环境选择适配牌号的碳刷较为合理。

碳刷安装在刷握中不能过紧或过松。太松会引起碳刷在刷握内振动，导致电刷接触不良；太紧会影响碳刷在刷握中的自由滑动，严重时会出现“卡死”现象，一般两者之间较为合理的间隙为0.1mm。同时注意刷握安装时要与滑环同心，避免出现碳刷偏磨现象。

三、恒压弹簧压力

恒压弹簧的作用是提供碳刷与滑环的接触压力，确保两者之间有效接触。当压力过小，虽然可以降低摩擦系数，减少机械磨损，但电气磨损却会大大增加，影响碳刷导电性能；反之，导电性能虽然增强，但碳刷磨损较快。因此碳刷压力要控制在一个合理的范围，一般风电用主碳刷为200cN/cm²±10%，接地碳刷为250cN/cm²±10%。但由于恒压弹簧长期在高温及振动下使用，压力衰减是不可避免的。因此针对使用期限较长的要做定期检测，确保压力合格。图3是对已使用5年的几组主碳刷恒压弹簧做的压力检测，有效值应为1600cN±10%，检测结果个别存在失效现象。

四、滑环径向跳动超差

滑环偏心、轴承故障、电机装配等因素很容易造成滑环径向跳动超差，使得碳刷与滑环表面接触不稳定，当碳刷的滑动接触出现进一步恶化，可能产生较大的火花，造成碳刷表面烧伤，破环氧化膜，加剧碳刷的磨损。超差严重电机发生振动时，不仅加剧机械磨损，甚至造成压簧疲劳断裂，碳刷破损、开裂，造成滑环烧损。

五、碳刷均流性

风力发电机转子电流值大，这就需要在同相上排布N个碳刷引流。由于碳刷材质、弹簧压力、接触电阻存在差异性，会导致碳刷之间电流值偏差较大，个别碳刷电密超过允许的最大值，造成碳刷发热严重，破坏氧化膜，导致环面烧损。

图3 压力测试结果

表1 机组运行环境

六、运行环境

风力发电机的运行环境几乎涵盖了各种气候条件（表1）。

在风力发电机的各种运行环境中，沿海及高原环境对滑环、碳刷的影响最大。这两类地区因空气中水份含量较大，尤其是高原环境下凝露现象严重，对滑环表面的氧化膜有很大的影响。据相关资料显示，当绝对湿度大于20g/m3时，由于空气湿度过大，会加剧氧化膜的形成，造成氧化膜增厚，碳刷接触压降升高，增加电气损耗。同时会使电刷产生过热、打火等现象，致使滑环烧损。因此在这两类地区对滑环室内部湿度的控制尤为重要。