G58風電機組集電環磨損原因分析及改善

趙慧玲，朱先勇，劉 潤

● （吉林大學 工程訓練中心，吉林長春 130025）

G58風電機組集電環磨損原因分析及改善

趙慧玲，朱先勇，劉 潤

● （吉林大學 工程訓練中心，吉林長春 130025）

G58-850風電機組在實際運行過程中，集電環容易因磨損報廢，造成多臺機組停轉，影響整套電力系統的正常運行。本文從工作環境、環面材料等方面分析了集電環的磨損機理，從改善金屬材料、部件受力情況等方面研發新型集電環，設計試驗對新型集電環性能測試。實驗結果表明改善金屬材料后的集電環較舊型性能更好。

風電機組；集電環；磨損

0 引言

位于吉林省境內的某風電場共裝設G58-850機組294臺。自2011年初投入運行以來共損壞發電機集電環63臺次，報廢率達21%。集電環的損壞造成多臺風電機組停轉，同時也影響風電場的生產效率。工程實踐發現，集電環磨損過快主要原因是集電環環面溫度過高，放電點蝕使其氧化膜受到破壞，磨損速度極劇增加。同時，環面金屬材料與碳刷之間摩擦系數過大也是引起集電環環面磨損嚴重的主要原因。

本文主要從工作環境、環面材料等方面分析了集電環的磨損機理，從改善金屬材料、部件受力情況等方面研發新型集電環，設計試驗對新型集電環性能測試。

1 風電機組集電環的磨損機理分析

由于受到工作環境和自身材料兩方面的影響，風電機組集電環在工作過程中磨損現象嚴重，故障率高。

圖1 已磨損集電環

在風電機組中，發電機集電環環面和碳刷相接觸。由于碳刷架彈簧壓力作用和材料彈性變形，二者的直接接觸部分在長期的工作過程中互相嵌入。相對滑動時，因機械摩擦而造成磨損。若碳刷顆粒細軟，則碳粉易附著在滑環表面，形成亮滑的石磨鏡面，機械磨損較小。碳刷材質過軟，滑環室易積聚碳粉，造成相間短路；碳刷材質過硬，或含有如金剛砂之類的硬質顆粒，則必然使機械磨損增加，造成集電環環面快速磨損。圖1所示為集電環磨損圖片。由圖1可見，集電環接地相磨損已超2mm。嚴重影響機組的安全運行。

此外，碳刷經碳刷架作用與集電環滑動摩擦接觸，碳刷架彈簧壓力的大小及碳刷中心線是否與環面垂直直接影響碳刷的導電性能，并造成集電環環面磨損過快。由工作現場經驗可知，碳刷架彈簧壓力在 2.2N/cm2±10%范圍內。彈簧壓力過小，碳刷和滑環表面接觸不穩定，容易引起電弧，使電氣磨損增大；壓力過大，刷面的硬粒對滑環環面磨損嚴重。

2 新型集電環的材料設計

為解決舊型集電環磨損過快的問題，設計新型集電環材料，使之滿足工作環境對產品壽命等方面的要求。

舊型集電環內部材質為不銹鋼，外部環面主要材質為磷青銅，新型集電環較舊型集電環環面在環面修復過程中增加了錫、鋅與鉛的成分，在保證電導率、密度、軟化溫度及晶粒度基本不變的前提下提高環面耐磨能力（硬度），增強了導電性能。新型集電環較舊型集電環環面的金屬組

成成分及技術參數見下表1及表2。

表1 舊型及新型集電環主要化學成份（%）

表2 舊型及新型集電環的主要技術參數

新型和舊型集電環金相組織圖如圖2所示。

圖2 舊型及新型集電環金相組織圖

由圖2可知，新型集電環較舊型集電環的金相組織分布均勻。均勻的金相組織使集電環與碳刷相對運動時形成良好的潤滑膜，從而保持正常的滑動接觸狀態。由于新型集電環環面與碳刷間的研磨作用使潤滑膜薄而均勻完整，摩擦系數能穩定在較低的數值上，可有效降低摩擦系數。

3 摩擦實驗的設計與結果分析

為檢驗新型集電環在實際工況中的磨損性能，設計了摩擦實驗。實驗系統用來仿真集電環的真實工作環境中的磨損情況。

實驗采用吉林大學鑄造實驗室生產的集電環環面用銅毛坯。每爐澆鑄30個集電環毛坯，單環直徑230mm，密度為8.8g/cm3。選取4件G58型風機配套碳刷，再選取新型集電環與 G58機組原裝集電環作對比試驗。復合材料摩擦系數實驗按GB12175-90標準在自制的磨損試驗臺上進行。將銅環毛坯加工成外徑230mm、內徑80mm、厚20mm銅環后安裝在自制實驗臺上，如圖3所示。該實驗臺轉速范圍為0r/s～2500r/s，可提供2000A測試電流，可檢測電阻率及接觸電壓降，能夠模擬出集電環在風機上正常運轉情況下的工況，從而檢測在不同工況下集電環與碳刷的工作狀態。采用摩擦磨損實驗機進行實驗，磨損條件為干滑動摩擦磨損，實驗參數及結果如表3所示。

在磨損條件、試驗參數與試驗設備相同的條件下，優化銅合金材料后改善了集電環環面與碳刷的接觸摩擦效果。舊型及新型集電環磨損過程摩擦系數變化如圖 4所示。

圖3 集電環的磨損實驗臺

表3 磨損實驗參數及結果對比

圖4 舊型及新型集電環磨損過程摩擦系數變化

4 結論

新型集電環較舊型集電環環面在環面修復過程中增加了錫、鋅與鉛的成分，在保證電導率、密度、軟化溫度及晶粒度基本不變的前提下提高環面耐磨能力，增強了導電性能。新型環面與碳刷間的研磨作用使潤滑膜薄而均勻完整，摩擦系數穩定在一個較低的值上，有效降低了摩擦系數。此外，將彈簧壓力控制在允許范圍內，保證碳刷中心線垂直于滑環環面，對集電環與碳刷定期檢查，也可提高集電環的使用壽命。

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Analysis and Improvement of Collector Ring’s Abrasion in G58 Wind Turbine

ZHAO Hui-ling, ZHU Xian-yong, LIU Run
(Engineering Training Center, Jilin University, Changchun 130025, China)

In the running process of G58-850 wind turbine, the collector ring is easily discarded because of abrasion, which causes many units stopped and affects the normal operation of the whole power system. This paper analyzes the abrasion mechanism of the collector ring based on the working environment and surface materials, develops a new collector ring according improving metal materials and the force components, and designs a performance test of new collector ring. The experimental results show that the improved collector ring’s properties is better than the old type

wind turbine; collector ring; abrasion

G482

A

長春市科技計劃項目，計劃項目編號：12ZX29。

趙慧玲（1970-），女，高級工程師。主要從事機電一體化領域的教學與研究工作。

朱先勇。