雙饋風力發電機用滑環系統設計

文／江蘇南車電機有限公司 陽輝力 鄧方林 鄒強龍 祝令帥／

1 前言

隨著國內風力發電機快速發展，雙饋風力發電機裝機量的不斷提高，雙饋風力發電機整機質量嚴重危及發電機的安全運行。滑環系統做為雙饋風力發電機動靜銜接和能量交換的設備，是雙饋風力發電機勵磁系統的重要組成部分。基于雙饋風力發電機安裝于高空，使得滑環系統的日常維護工作量大，尤其是處于惡劣環境下的（高原、海洋）的機組，其維護維修工作更加困難，維護成本尤為突出，故設計高可靠性、低維護的滑環系統對雙饋風力發電機組具有一定的工程運用意義。

文獻從滑環系統風場運行狀況進行闡述，對滑環系統常見故障進行分類，根據風場滑環系統運行情況指導滑環系統設計的結構選型，從而引發對滑環系統結構設計的側重方向及設計理念；文獻結合國內滑環系統制造狀況，驗證不同碳刷在各風場運行狀態，獲取碳刷選型設計的經驗值；通過分析及驗證形成一套雙饋風力發電機用滑環系統設計方式。

2 雙饋風力發電機用滑環系統風場運行狀況

從2007年以來，雙饋風力發電機組在國內各風場得到了廣泛裝機，雙饋風電機組已具備5年以上并網運行業績。通過對并網期間雙饋風力發電機故障統計分析，可知滑環系統故障占雙饋風力發電機總故障20%以上，嚴重制約著雙饋風力發電機組的并網運行，滑環系統的常見故障有：滑環系統氧化膜沒有有效建立，致使碳刷磨損異常；接地環過流，引發接地碳刷與接地環之間打火拉弧，致使接地環灼傷；滑環系統相環或接地環之間爬電距離太短，導致相環與接地環或相環之間的爬電擊穿故障；滑環系統密封性能差，在濕度較大環境下，相環對地絕緣電阻接近為零，引發發電機轉子繞組對地放電；集電環引出線與轉子引出電纜線接頭處積碳，引發集電環絕緣灼傷，導致轉子繞組對地絕緣為零；零部件恒壓彈簧失效，致使三相電流不均勻，引發某相相環磨損異常，嚴重時引發相環與恒壓彈簧灼傷故障；微動開關斷裂，引發恒壓彈簧與集電環相接觸放電拉環現象；澆鑄整體式滑環系統因受熱不一，引發絕緣開裂故障；組裝式滑環系統過盈量偏小，引發相環脫落故障。

綜上，滑環系統故障有表現為對軸電壓辨識不足所引發的接地環拉傷故障；有表現為對風場運行環境認識不足所引發的積碳爬電、絕緣擊穿等故障；有表現為設計考慮不周引發的密封缺陷、相環脫離、絕緣開裂等故障；有表現為對碳刷選型不充分所引發的碳刷磨損異常故障。通過上述分析，滑環系統在設計過程中，需側重以下三方面：一是解決不同材料熱脹冷縮下絕緣密封問題；二是降低集電環表面積碳能力；三是結構設計中避免集電環脫落。

3 滑環系統結構介紹

因雙饋風力發電機轉速高，在滑環系統結構設計中主要采用熱套組裝式集電環結構（圖1）和膠鑄式集電環結構（圖2）來保證其可靠性。熱套組裝式集電環結構是當前雙饋風力發電機組最常用的一種滑環系統結構，具有廣泛運用業績，該結構在線維護性能好，然整體密封性能欠缺，存在受潮絕緣電阻偏低缺陷。膠鑄式集電環結構是在熱套組裝式集電環結構基礎上加膠鑄處理，以提升膠鑄式滑環系統的整體密封性能，該結構能承受各種惡劣氣候運行且確保其密封性能，該結構在熱脹冷縮作用力下出現絕緣開裂故障概率相比熱套組裝式集電環結構要突出。

圖1 熱套組裝式集電環結構

圖2 膠鑄式集電環結構

4 結構設計

4.1 材料選取

滑環系統安裝防護等級為IP23，滑環系統設計中需考慮材料防腐能力，故刷握、恒壓彈簧和微動開關等含有金屬零部件必須做防腐處理，防腐等級不低于ISO12944中C4H要求；同時因滑環系統是滑動接觸部件，集電環必須具備一定的耐磨性，故集電環推薦使用高強度不銹鋼鍛件。

絕緣材料的選取和處理是滑環系統設計的關鍵項點。絕緣材料選取時應能滿足高低溫沖擊，需具備一定回彈、伸縮性等機械性能。如，熱套組裝式集電環需考慮絕緣材料與金屬材料的收縮性，一般金屬材料受熱收縮比是絕緣材料的10～20倍。因其線性膨脹系數不一，需調節制作工藝參數來保證熱套組裝式集電環結構整體密封性能；整體膠鑄式集電環結構，因其膠鑄絕緣材料固化溫度達140℃以上，結合風場運行狀況，需關注膠鑄絕緣材料在高低溫環境下抗老化和脆化能力，通過調整膠鑄固化溫度和絕緣材料成分的配比來優化膠鑄絕緣材料的力學性能。

4.2 結構設計

滑環系統主要由旋轉部件集電環、固定部件刷架和鏈接部件碳刷組成。

集電環可靠性設計要求較高，在集電環設計過程中需關注如下項點：兼顧雙饋風力發電機轉子絕緣電阻需求，集電環在受潮的情況下絕緣電阻應不低于0.69MΩ，集電環設計需驗證其密封性能，針對海上風電或濕度較大地區，集電環需通過浸水試驗驗證；隨著滑環系統的運行，滑環裝配空間內存在積碳缺陷，故集電環設計過程中需確保集電環表面爬電距離（最小爬電距離應不小于60mm）；絕緣材料表面須做污閃處理，相環間和相環與接地環之間絕緣材料設計自帶清理碳粉功能的非圓形結構以便減低碳粉在集電環表面的附著能力；裝配需綜合考慮絕緣材料的力學性能和過盈量，確保相環與絕緣材料在高速旋轉的離心力作用下結構可靠；集電環動平衡量將影響發電機的振動，在集電環設計中需分布消除因導電桿引起的不平衡量；導電桿與集電環相環鏈接需牢固且控制其接觸電阻，避免因接觸電阻過大、不均勻引發的轉子三相電流不平衡現象，故導電桿與集電環相環鏈接采用銀銅焊接處理。

刷架是滑環系統固定裝置，主要由固定裝置、刷握、恒壓彈簧和監控設備（微動開關）組成，在刷架設計中需注意如下事項：

任意滑環系統，在不同設計直徑和轉速下，碳刷運行時所受的摩擦力僅與碳刷的重量及恒壓彈簧的壓力值相關，氧化膜的建立是新舊氧化膜更替動態過程，為確保氧化膜有效建立并結合風場運行狀況，恒壓彈簧壓力值選取為2～2.5N/cm2，如恒壓彈簧壓力值過大將加劇碳刷磨損，恒壓彈簧壓力值過小碳刷在刷握中存在跳動，將導致集電環打火拉弧。

微動開關是實現滑環系統遠程監控的核心裝配，微動開關的高可靠性亦是刷架設計中的關鍵項點，目前雙饋風力發電機用滑環系統所采用的微動開關絕大部分采用塑料件，材料選取必須考慮高低溫脆化，微動開關設計需防止恒壓彈簧壓指壓斷微動開關觸頭，故微動開關觸動行程須在恒壓彈簧壓指行程內，微動開關最大行程需超出恒壓彈簧壓指行程。

碳刷是滑環系統運行鏈接部分，碳刷與集電環運行時的匹配性是碳刷選型的關鍵項點。目前，國內缺乏碳刷研制技術，相比國外知名碳刷制造商仍有較大差距，基于雙饋風力發電機運行環境的特殊性，本文獻碳刷的選取立足進口件，結合我公司雙饋風力發電機運行經驗進行設計選型。

碳刷氧化膜的建立與碳刷成分、運行環境、電流密度、震動等因素相關。氧化膜能否有效建立將影響碳刷的使用壽命，因我國風力發電運用地域廣泛，有高原、干旱、平原、沿海、潮間帶和海上等，這對碳刷的選型帶來不便。為開拓一款通用性強、耐磨性好、經濟實惠的碳刷。我公司結合并網運行風機對國內常用的碳刷型號進行風場對比驗證。經驗證，RC53主碳刷、carbon brush（A）和carbon brush（B）接地碳刷配套使用，可實現碳刷2年一換。

5 結論

采用熱套組裝式集電環結構和膠鑄式集電環結構的滑環系統各具優勢，前者風場在線維護性較高，后者整體性能較好。針對風電維護難、維護成本高等狀況，海上風電滑環系統趨向選擇澆鑄式滑環結構配耐磨性碳刷。

[1] 吳銀龍等.淺談繞線轉子電機集電環與電刷的選取.防爆電機,2006-4(41).

[2] 馬宏忠等.風力發電機電刷滑環系統三維溫度場分析與計算.中國電機工程學報，2013.33(30).