上海电气2MW风机碳刷异常磨损的研究

贺东，瞿安

（1.国华（锡林郭勒）新能源有限公司，内蒙古 026000; 2.中国华电集团有限公司甘肃公司，兰州 730300）

0 前言

上海电气早期2MW风机发电机型号为YFSSYG500-4、功率：2100kW、转子电流：～534A；集电环为温州龙电产；碳刷为摩根MG1147碳刷。该风机已运行10年之久，现场运维人员发现碳刷一般使用不到一年就需要更换，远远落后于行业其它风机碳刷寿命，严重影响风机稳定运行。寻找到碳刷异常磨损的原因并采取有效措施是投运的老风场十分有必要的工作。

1 碳刷异常磨损的主要因素[1]

1.1 换向器或集电环表面状态的影响

换向器或集电环的表面状态对电刷磨损率的影响很大。换向器或集电环的表面光洁度,关系到摩擦系数的大小；其次,在换向器或集电环的表面上有一层良好的氧化膜,造成边界摩擦条件,对降低摩擦系数,减少磨损很有好处.如果氧化膜遭到破坏,电刷的磨损将迅速增加。

1.2 弹簧压力对电刷磨损的影响

每一种型号的电刷都有其允许的弹簧压力。弹簧压力,主要作用达到电刷与换向器或集电环的良好接触，实际表现,弹簧压力大不好,小也不好。弹簧压力小了,电刷与换向器或集电环的接触不良,这样可以降低摩擦系数,减少纯机械性磨损，但是,却大大增加了电气磨损,且易造成(加大)火花;如果弹簧压力过大,虽然电气磨损降低,但机械磨损增加,总的结果使电刷磨损加大。

1.3 电流的影响[2]

一般情况下,通电时电刷的磨损率要比无电流时大的多。因为电刷与换向器或集电环之间是滑动接触,电流从面积很小的真实接触面上通过,因而使接触部分的温度比电刷的平均温度要高很多,造成多孔的碳石墨刷体升温而氧化,使连接变弱,导致接触表面部分的碳石墨剥落到换向器或集电环上,因此使电刷的磨损加大。

1.4 偏心的影响[3]

换向器或集电环的偏心(或振摆)对电刷的磨损的影响是偏心愈大,磨损愈大。特别是金属电刷,其磨损受偏心的影响更大,当偏心达到5/100mm以上时,电刷磨损急剧变大。因此,应严格控制换向器或集电环的偏心，保证较低的偏心率是非常必要的,否则,将会导致电刷摩擦表面火花加大,从而加大集电环表面电蚀现象。滑环的侵蚀越多,侵蚀的现象就越严重,进而,运行中的电刷破损的可能性就越大。

1.5 湿度的影响和粉尘磨损[4]

很多研究证明,石墨的润滑性能受湿气的影响很大。如果在真空中,石墨将失去润滑作用,同时磨损加大.当空气中水分很低时,将发生粉尘磨损(又称磨料磨损)。这是因为空气中湿度很低时,氧化膜失去润滑作用,电刷与换向器或集电环之间的接触面,在摩擦过程中迅速从基体上剥落下来的一些粉粒,破坏了边界润滑条件,变成了磨料磨损(即粉尘磨损)。当空气中湿度低于0.3g/ m3时,通常会引起这种粉尘磨损过程。除了湿度低以外,其他有害气体和粉尘对电刷磨损也有影响。

2 上海电气2MW风机碳刷异常磨损理论分析[5]

鉴于该批次风力发电机普遍存在碳刷异常磨损情况，现场通过勘察集电环、刷架等情况，排除产品质量问题，依据影响碳刷寿命的相关因素，现场把问题锁定电流对碳刷寿命的影响上。现场通过调研发现碳刷运行电流密度对碳刷运行时的温度影响较大，进而影响其使用寿命。 风电场使用摩根MG1147碳刷，查询该型号碳刷资料，其长期运行电流密度范围为12-18A/cm2, 而其最佳运行电密则为13-15A/cm2左右 ，查询风电场发电机铭牌，其转子额定电流534A，按照原设计每相4只碳刷配置，则单只电刷的运行电密为 534A/4/(2cmx4cm)=16.7A/cm2,接近电流密度运行范围的上限。通过理论分析，如果风场风力资源较好，长时间满发，碳刷长时间在该工况下运行，则碳刷寿命会相对较短（大概一年左右）。

如改为每相配置5只，则电密为13.4A/cm2， 处于碳刷最佳运行电密范围， 应能使电刷运行时的温度更合理，不因过热或过冷导致寿命降低。通过摩根碳刷厂家官方预测，碳刷使用寿命可提升至18个月以上。

3 上海电气2MW风机单项碳刷数量由原来4支变更为5支试验比对

为了验证碳刷数量由原来4支变更为5支后，能有效提升碳刷寿命，需要开展相关试验，通过数据比对佐证理论的可靠性。

从该风电场选取一台风机将刷架更换为可插入5支碳刷的刷架，具体图1，从图中可以看出，刷架每项最多可以安装6支碳刷，为了验证效果本次只需要安装5支碳刷；

图1 5支碳刷的刷架Fig.1 Five carbon brush holders

从该风电任意选定1台风机，不改变原设计，仍然只安装4支碳刷，只是和如上样机同期更换相同品牌的碳刷。

3.1 改造预计效果

1）碳刷运行温度较现有方案下降，改善集电环刷架等绝缘部件的老化寿命 。

2）有效降低碳刷磨损速度、延长碳刷寿命（预期18个月以上)。

3）有效减少单位时间内产生的碳粉数量，减少对集电环、刷架的污染，减少爬电、击穿的概率。

4）因碳粉的减少，潜在可以延长碳粉清理周期或是减少单次碳粉清理的难度和工作量 。

3.2 半年后改造效果对比

2020年1月上旬对6#风机进行了集电环系统改造并稳定运行至今,同期将该风电场16#风机碳刷进行换新，2020年05月11日对该风机集电环系统运行状态进行了系统检查,具体报告如下：

改造的风机电刷底部镜面比较均匀,表面光滑,无打火或拉槽现象，电刷表面刷辨无破损,铆钉颜色正常无高温变色现象 ，如图2。

图2 改造的风机电刷底部Fig.2 Modified fan brush bottom

表1 刀具物理、力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of cutting tools

以上是试运行4个月数据对比,通过数据可以看出，更换为单项5支碳刷的风机其碳刷磨耗较小,耐磨性能更优,电刷使用寿命可以提升10%左右。两台风机除转子碳刷数量不一样之外，其它工况均一样，可以看出碳刷数量会影响碳刷电流密度，电流密度的大小会直接影响碳刷寿命，合理的碳刷配置数量是提升碳刷寿命的一个关键因素。通过该试验基本可以肯定，上海电气2MW风机转子碳刷配置单项5支的方案要优于4支的方案，后期投运的风机可参考。

4 结语

上海电气2MW风机集电环碳刷数量少（原设计每项4支）是造成风机碳刷异常磨损的主要原因之一，为了降低碳刷磨损率，提升机组可靠性，可将碳刷每项改为5支，以此来保证碳刷工作在最优工作模式并以此来提升碳刷使用寿命，保证风力发电机可靠运行。