雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷故障分析及解決措施探討

文 | 鐘紹輝，解京晶

滑環(huán)、碳刷裝置是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流雙向傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，滑環(huán)、碳刷裝置的故障率占比較高，經(jīng)常造成電機(jī)無(wú)法啟機(jī)、軸承損傷等故障。此類故障維修時(shí)間較長(zhǎng)，損傷嚴(yán)重時(shí)需下架處理，給業(yè)主造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此提升滑環(huán)、碳刷裝置的質(zhì)量可靠性，對(duì)機(jī)組的安全、高效運(yùn)行有著重要的意義。

本文對(duì)滑環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理做了簡(jiǎn)單闡述，主要介紹了滑環(huán)出現(xiàn)的各類型故障及相應(yīng)的處理措施。

滑環(huán)、碳刷裝置結(jié)構(gòu)及功能

圖1是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷裝置的典型結(jié)構(gòu)圖，主要由導(dǎo)電環(huán)、刷架、刷握、碳刷、恒壓彈簧等部件組成。導(dǎo)電環(huán)安裝在電機(jī)主軸上，刷架系統(tǒng)固定在滑環(huán)室內(nèi)，電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，導(dǎo)電環(huán)與碳刷接觸傳導(dǎo)電流（其主要功能一方面是通過(guò)變頻器為轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流，另一方面是將轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出的電流引出，通過(guò)變頻器反饋到電網(wǎng)上）。接地裝置的作用是將電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸電流導(dǎo)出，避免軸承電蝕。

滑環(huán)、碳刷裝置常見(jiàn)故障

（1）碳刷溫度高，磨損快。

（2）滑環(huán)表面氧化膜損傷，環(huán)面有麻點(diǎn)、拉傷痕跡（圖2）。

（3）碳刷與刷盒燒結(jié)，卡滯在刷盒中，刷盒有燒灼痕跡。

（4）碳刷磨損報(bào)警失效、報(bào)警開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷裂、恒壓彈簧變色等。

引發(fā)故障的主要影響因素

一、滑環(huán)、碳刷冷卻通風(fēng)

滑環(huán)與碳刷在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生滑動(dòng)電接觸，滑動(dòng)電接觸的磨損形式主要分為電氣磨損和機(jī)械磨損，這些磨損會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。如果不能及時(shí)有效地將這些熱量帶走，會(huì)造成滑環(huán)環(huán)面、碳刷溫度急劇升高、氧化膜增厚、接觸壓降升高等不良影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷裝置安裝在滑環(huán)室里面，滑環(huán)室的防護(hù)等級(jí)為IP23，空間比較封閉。因此，發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷運(yùn)行中通風(fēng)散熱問(wèn)題就顯得尤其重要。

圖1 滑環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖2 環(huán)面損傷狀況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑環(huán)冷卻一般采用軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇或利用電機(jī)空冷器出風(fēng)口風(fēng)量對(duì)滑環(huán)、碳刷進(jìn)行降溫，同時(shí)將帶有碳粉的空氣排到機(jī)艙下部碳粉收集器中。因此，確保冷卻風(fēng)路通暢，才能達(dá)到冷卻效果。

二、碳刷選型、安裝

風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前大多采用的是進(jìn)口品牌的碳刷，其品質(zhì)比較可靠。選型方面應(yīng)該注意的是與滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)的匹配性問(wèn)題（不同型號(hào)、不同廠家的電刷，其導(dǎo)電性和硬度存在差異。材質(zhì)過(guò)硬，影響滑環(huán)和碳刷的動(dòng)、靜接觸面，加大滑環(huán)摩擦，造成環(huán)面損傷；材質(zhì)較軟，電刷極易磨損，更換頻繁，維護(hù)成本增加）。還有一方面就是針對(duì)不同環(huán)境采用不同材質(zhì)的碳刷，一般情況下分為沿海型、平原型、高原型三類，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同運(yùn)行環(huán)境選擇適配牌號(hào)的碳刷較為合理。

碳刷安裝在刷握中不能過(guò)緊或過(guò)松。太松會(huì)引起碳刷在刷握內(nèi)振動(dòng)，導(dǎo)致電刷接觸不良；太緊會(huì)影響碳刷在刷握中的自由滑動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，一般兩者之間較為合理的間隙為0.1mm。同時(shí)注意刷握安裝時(shí)要與滑環(huán)同心，避免出現(xiàn)碳刷偏磨現(xiàn)象。

三、恒壓彈簧壓力

恒壓彈簧的作用是提供碳刷與滑環(huán)的接觸壓力，確保兩者之間有效接觸。當(dāng)壓力過(guò)小，雖然可以降低摩擦系數(shù)，減少機(jī)械磨損，但電氣磨損卻會(huì)大大增加，影響碳刷導(dǎo)電性能；反之，導(dǎo)電性能雖然增強(qiáng)，但碳刷磨損較快。因此碳刷壓力要控制在一個(gè)合理的范圍，一般風(fēng)電用主碳刷為200cN/cm2±10%，接地碳刷為250cN/cm2±10%。但由于恒壓彈簧長(zhǎng)期在高溫及振動(dòng)下使用，壓力衰減是不可避免的。因此針對(duì)使用期限較長(zhǎng)的要做定期檢測(cè)，確保壓力合格。圖3是對(duì)已使用5年的幾組主碳刷恒壓彈簧做的壓力檢測(cè)，有效值應(yīng)為1600cN±10%，檢測(cè)結(jié)果個(gè)別存在失效現(xiàn)象。

四、滑環(huán)徑向跳動(dòng)超差

滑環(huán)偏心、軸承故障、電機(jī)裝配等因素很容易造成滑環(huán)徑向跳動(dòng)超差，使得碳刷與滑環(huán)表面接觸不穩(wěn)定，當(dāng)碳刷的滑動(dòng)接觸出現(xiàn)進(jìn)一步惡化，可能產(chǎn)生較大的火花，造成碳刷表面燒傷，破環(huán)氧化膜，加劇碳刷的磨損。超差嚴(yán)重電機(jī)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，不僅加劇機(jī)械磨損，甚至造成壓簧疲勞斷裂，碳刷破損、開(kāi)裂，造成滑環(huán)燒損。

五、碳刷均流性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流值大，這就需要在同相上排布N個(gè)碳刷引流。由于碳刷材質(zhì)、彈簧壓力、接觸電阻存在差異性，會(huì)導(dǎo)致碳刷之間電流值偏差較大，個(gè)別碳刷電密超過(guò)允許的最大值，造成碳刷發(fā)熱嚴(yán)重，破壞氧化膜，導(dǎo)致環(huán)面燒損。

圖3 壓力測(cè)試結(jié)果

表1 機(jī)組運(yùn)行環(huán)境

六、運(yùn)行環(huán)境

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境幾乎涵蓋了各種氣候條件（表1）。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行環(huán)境中，沿海及高原環(huán)境對(duì)滑環(huán)、碳刷的影響最大。這兩類地區(qū)因空氣中水份含量較大，尤其是高原環(huán)境下凝露現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)滑環(huán)表面的氧化膜有很大的影響。據(jù)相關(guān)資料顯示，當(dāng)絕對(duì)濕度大于20g/m3時(shí)，由于空氣濕度過(guò)大，會(huì)加劇氧化膜的形成，造成氧化膜增厚，碳刷接觸壓降升高，增加電氣損耗。同時(shí)會(huì)使電刷產(chǎn)生過(guò)熱、打火等現(xiàn)象，致使滑環(huán)燒損。因此在這兩類地區(qū)對(duì)滑環(huán)室內(nèi)部濕度的控制尤為重要。

七、維護(hù)

（1）滑環(huán)室中、刷握間隙及刷架上的碳粉積碳嚴(yán)重，造成爬電、打火，燒損碳刷。

（2）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，碳刷接觸面不夠，電密超標(biāo)，出現(xiàn)發(fā)熱、打火現(xiàn)象。

（3）碳刷報(bào)警開(kāi)關(guān)損壞，造成碳刷磨損到限值后未及時(shí)報(bào)警，致使碳刷與滑環(huán)相蹭引發(fā)故障。

（4）滑環(huán)室下部碳粉過(guò)濾器中積碳嚴(yán)重，造成冷卻風(fēng)路堵塞，滑環(huán)室溫度升高引發(fā)故障。

（5）接地碳刷刷辮接頭聯(lián)接松動(dòng)、接地線斷裂，造成碳刷燒損，電機(jī)軸電流沒(méi)法有效導(dǎo)出，軸承電蝕。

處理方法及預(yù)防措施

根據(jù)以上分析的各種原因，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)處理滑環(huán)故障的一些經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)采取以下措施提升質(zhì)量，減少故障。

一、滑環(huán)、碳刷設(shè)計(jì)選型

（1）碳刷材質(zhì)要選用與導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)、電機(jī)工況、運(yùn)行環(huán)境相匹配的，建議主碳刷選用銅石墨材質(zhì)，接地碳刷選用浸漬銀材質(zhì)，具體牌號(hào)根據(jù)不同廠家選取市場(chǎng)應(yīng)用成熟的。電密要在碳刷允許范圍內(nèi)，同時(shí)考慮電流不均的狀況留有相應(yīng)的裕量。

（2）滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)選用馬氏體不銹鋼，采用調(diào)質(zhì)處理增加硬度，提高耐磨性。沿海地區(qū)要采取防鹽霧措施。金屬材料機(jī)械性能滿足電機(jī)工況，絕緣材料等級(jí)為F級(jí)。

二、滑環(huán)、碳刷裝配

（1）對(duì)裝配好的滑環(huán)用百分表檢測(cè)徑向跳動(dòng)，一般不允許超過(guò)0.05mm。

（2）檢測(cè)碳刷報(bào)警開(kāi)關(guān)線通斷，正常狀況下為常閉合狀態(tài)，避免出現(xiàn)碳刷磨損到限值后未及時(shí)報(bào)警狀況。

（3）恒壓彈簧要裝配到位，檢測(cè)彈簧壓力，對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)壓力范圍的彈簧要及時(shí)更換。

（4）檢查碳刷接觸面是否合格，刷辮是否有斷股，接頭是否良好。刷辮與刷架聯(lián)接是否牢固，接觸部位是否清潔，防止碳刷與滑環(huán)刷架連接處接觸不良。

（5）檢查刷握與滑環(huán)環(huán)面的距離（間距應(yīng)為2.5～3mm）、刷握與滑環(huán)是否同心及碳刷與刷握間隙是否合格。

（6）檢查接地碳刷刷辮、接地線是否聯(lián)接可靠，接觸面是否清潔。

三、風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)

（1）更換碳刷后必須先要用100號(hào)砂紙預(yù)磨接觸面，讓電機(jī)空轉(zhuǎn)約30分鐘繼續(xù)磨合接觸面，達(dá)到80%以上才可以并網(wǎng)運(yùn)行。更換接地碳刷時(shí)如果是雙拼結(jié)構(gòu)的，要按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，碳刷滑入端是含碳的一側(cè)，滑出端為含銀的一側(cè)，遵循先潤(rùn)滑后導(dǎo)電的原則。

（2）同一臺(tái)電機(jī)上碳刷牌號(hào)必須與廠家要求的一致，絕對(duì)不允許不同牌號(hào)、不同批次的碳刷混裝。

（3）對(duì)于滑環(huán)表面有麻點(diǎn)、凸點(diǎn)的，用油石先打磨掉大的凸起點(diǎn)，然后用0號(hào)拋光砂紙進(jìn)行打磨，直到滑環(huán)表面恢復(fù)光滑方可。若損傷嚴(yán)重，建議拆下來(lái)對(duì)環(huán)面進(jìn)行加工處理，加工時(shí)要控制滑環(huán)內(nèi)孔與外圓同軸度在0.03mm以內(nèi)、環(huán)面粗糙度Ra在0.8～1.2μm后再安裝使用。

（4）定期清理滑環(huán)室、滑環(huán)表面、刷架、刷握縫隙積落的碳粉，避免積碳嚴(yán)重?；h(huán)環(huán)面保持清潔，無(wú)油污與附著物。

（5）定期更換碳粉收集器中的濾棉，保持滑環(huán)室冷卻風(fēng)路通暢。

（6）對(duì)于高原、近海環(huán)境下濕度大、氣溫低的地區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)情況下，電機(jī)運(yùn)行前要開(kāi)啟滑環(huán)室中的加熱器進(jìn)行加熱，避免滑環(huán)表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，引發(fā)滑環(huán)、碳刷打火問(wèn)題。

圖4 2013－2017年滑環(huán)故障率

實(shí)施效果

通過(guò)以上措施的實(shí)施，滑環(huán)故障率出現(xiàn)明顯降低，風(fēng)電機(jī)組的有效利用率也得到了明顯提高。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)滑環(huán)的結(jié)構(gòu)介紹，從冷卻通風(fēng)、碳刷選型/安裝、恒壓彈簧壓力、滑環(huán)徑向跳動(dòng)超差、碳刷均流性、運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)等七方面對(duì)滑環(huán)、碳刷故障進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的處理措施，在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。

由于風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境惡劣、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)不到位等原因，對(duì)影響滑環(huán)、碳刷正常運(yùn)行的一些不利因素還無(wú)法控制到理想的狀態(tài)，需要進(jìn)一步采取措施，提升產(chǎn)品質(zhì)量及維護(hù)水平，保證風(fēng)電機(jī)組的高效運(yùn)行。