降低风力发电机组滑环碳刷故障率的改造

2019-09-10胡博

科学导报·科学工程与电力 2019年43期

胡博

【摘要】风力发电机电刷滑环系统是风力发电机动静衔接和交换能量的设备，是发电机励磁系统的重要组成部分，但运行中时常会出现过热现象，严重危及发电机的安全运行。且风力发电机安装高度较高，使得电刷滑环系统的日常维护工作量较大，尤其是处于恶劣环境下（高山、海洋等）的机组，其维修工作更加困难，故总结风力发电机电刷滑环系统的常见故障及处理方法对风力发电机组的安全运行具有最要意义。

【关键词】风力发电机组、发电机滑环;碳刷故障率;降低故障率的改造

1、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。

（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。

2、引发故障的主要影响因素

2.1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。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。

2.2 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）。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。

3、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。

4、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。

5、维护

（1）滑环室中、刷握间隙及刷架上的碳粉积碳严重，造成爬电、打火，烧损碳刷。

（2）并网运行时，碳刷接触面不够，电密超标，出现发热、打火现象。

（3）碳刷报警开关损坏，造成碳刷磨损到限值后未及时报警，致使碳刷与滑环相蹭引发故障。

（4）滑环室下部碳粉过滤器中积碳严重，造成冷却风路堵塞，滑环室温度升高引发故障。

（5）接地碳刷刷辫接头联接松动、接地线断裂，造成碳刷烧损，电机轴电流没法有效导出，轴承电蚀。处理方法及预防措施根据以上分析的各种原因，结合风电场处理滑环故障的一些经验，应采取以下措施提升质量，减少故障。

5.1滑环、碳刷设计选型

（1）碳刷材质要选用与导电环材质、电机工况、运行环境相匹配的，建议主碳刷选用铜石墨材质，接地碳刷选用浸渍银材质，具体牌号根据不同厂家选取市场应用成熟的。电密要在碳刷允许范围内，同时考虑电流不均的状况留有相应的裕量。

（2）滑环导电环材质选用马氏体不锈钢，采用调质处理增加硬度，提高耐磨性。沿海地区要采取防盐雾措施。金属材料机械性能满足电机工况，绝缘材料等级为 F 级。

5.2滑环、碳刷装配