降低風力發電機組滑環碳刷故障率的改造

胡博

【摘 ?要】風力發電機電刷滑環系統是風力發電機動靜銜接和交換能量的設備，是發電機勵磁系統的重要組成部分，但運行中時常會出現過熱現象，嚴重危及發電機的安全運行。且風力發電機安裝高度較高，使得電刷滑環系統的日常維護工作量較大，尤其是處于惡劣環境下（高山、海洋等）的機組，其維修工作更加困難，故總結風力發電機電刷滑環系統的常見故障及處理方法對風力發電機組的安全運行具有最要意義。

【關鍵詞】風力發電機組、發電機滑環;碳刷故障率;降低故障率的改造

1、滑環、碳刷裝置結構及功能

圖 1 是雙饋風力發電機滑環、碳刷裝置的典型結構圖，主要由導電環、刷架、刷握、碳刷、恒壓彈簧等部件組成。導電環安裝在電機主軸上，刷架系統固定在滑環室內，電機在高速旋轉過程中，導電環與碳刷接觸傳導電流（其主要功能一方面是通過變頻器為轉子繞組提供勵磁電流，另一方面是將轉子繞組發出的電流引出，通過變頻器反饋到電網上）。接地裝置的作用是將電機轉子產生的軸電流導出，避免軸承電蝕。

滑環、碳刷裝置常見故障

（1）碳刷溫度高，磨損快。

（2）滑環表面氧化膜損傷，環面有麻點、拉傷痕跡。

（3）碳刷與刷盒燒結，卡滯在刷盒中，刷盒有燒灼痕跡。

（4）碳刷磨損報警失效、報警開關觸點斷裂、恒壓彈簧變色等。

2、引發故障的主要影響因素

2.1滑環、碳刷冷卻通風

滑環與碳刷在電機高速旋轉中產生滑動電接觸，滑動電接觸的磨損形式主要分為電氣磨損和機械磨損，這些磨損會產生大量的熱量。如果不能及時有效地將這些熱量帶走，會造成滑環環面、碳刷溫度急劇升高、氧化膜增厚、接觸壓降升高等不良影響。風力發電機滑環、碳刷裝置安裝在滑環室里面，滑環室的防護等級為 IP23，空間比較封閉。因此，發電機滑環、碳刷運行中通風散熱問題就顯得尤其重要。風力發電機滑環冷卻一般采用軸流風機、風扇或利用電機空冷器出風口風量對滑環、碳刷進行降溫，同時將帶有碳粉的空氣排到機艙下部碳粉收集器中。因此，確保冷卻風路通暢，才能達到冷卻效果。

2.2 碳刷選型、安裝

風力發電機目前大多采用的是進口品牌的碳刷，其品質比較可靠。選型方面應該注意的是與滑環導電環材質的匹配性問題（不同型號、不同廠家的電刷，其導電性和硬度存在差異。材質過硬，影響滑環和碳刷的動、靜接觸面，加大滑環摩擦，造成環面損傷;材質較軟，電刷極易磨損，更換頻繁，維護成本增加）。太松會引起碳刷在刷握內振動，導致電刷接觸不良;太緊會影響碳刷在刷握中的自由滑動，嚴重時會出現“卡死”現象，一般兩者之間較為合理的間隙為0.1mm。同時注意刷握安裝時要與滑環同心，避免出現碳刷偏磨現象。

3、恒壓彈簧壓力

恒壓彈簧的作用是提供碳刷與滑環的接觸壓力，確保兩者之間有效接觸。當壓力過小，雖然可以降低摩擦系數，減少機械磨損，但電氣磨損卻會大大增加，影響碳刷導電性能;反之，導電性能雖然增強，但碳刷磨損較快。因此碳刷壓力要控制在一個合理的范圍，一般風電用主碳刷為200cN/cm2±10%，接地碳刷為 250cN/cm2±10%。但由于恒壓彈簧長期在高溫及振動下使用，壓力衰減是不可避免的。因此針對使用期限較長的要做定期檢測，確保壓力合格。

4、滑環徑向跳動超差

滑環偏心、軸承故障、電機裝配等因素很容易造成滑環徑向跳動超差，使得碳刷與滑環表面接觸不穩定，當碳刷的滑動接觸出現進一步惡化，可能產生較大的火花，造成碳刷表面燒傷，破環氧化膜，加劇碳刷的磨損。超差嚴重電機發生振動時，不僅加劇機械磨損，甚至造成壓簧疲勞斷裂，碳刷破損、開裂，造成滑環燒損。

5、維護

（1）滑環室中、刷握間隙及刷架上的碳粉積碳嚴重，造成爬電、打火，燒損碳刷。

（2）并網運行時，碳刷接觸面不夠，電密超標，出現發熱、打火現象。

（3）碳刷報警開關損壞，造成碳刷磨損到限值后未及時報警，致使碳刷與滑環相蹭引發故障。

（4）滑環室下部碳粉過濾器中積碳嚴重，造成冷卻風路堵塞，滑環室溫度升高引發故障。

（5）接地碳刷刷辮接頭聯接松動、接地線斷裂，造成碳刷燒損，電機軸電流沒法有效導出，軸承電蝕。處理方法及預防措施根據以上分析的各種原因，結合風電場處理滑環故障的一些經驗，應采取以下措施提升質量，減少故障。

5.1滑環、碳刷設計選型

（1）碳刷材質要選用與導電環材質、電機工況、運行環境相匹配的，建議主碳刷選用銅石墨材質，接地碳刷選用浸漬銀材質，具體牌號根據不同廠家選取市場應用成熟的。電密要在碳刷允許范圍內，同時考慮電流不均的狀況留有相應的裕量。

（2）滑環導電環材質選用馬氏體不銹鋼，采用調質處理增加硬度，提高耐磨性。沿海地區要采取防鹽霧措施。金屬材料機械性能滿足電機工況，絕緣材料等級為 F 級。

5.2滑環、碳刷裝配

（1）對裝配好的滑環用百分表檢測徑向跳動，一般不允許超過 0.05mm。

（2）檢測碳刷報警開關線通斷，正常狀況下為常閉合狀態，避免出現碳刷磨損到限值后未及時報警狀況。

（3）恒壓彈簧要裝配到位，檢測彈簧壓力，對超出標準壓力范圍的彈簧要及時更換。

（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。刷辮與刷架聯接是否牢固，接觸部位是否清潔，防止碳刷與滑環刷架連接處接觸不良。

（5）檢查刷握與滑環環面的距離（間距應為2.5～3mm）、刷握與滑環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、接地線是否聯接可靠，接觸面是否清潔。

通過以上措施的實施，滑環故障率出現明顯降低，風電機組的有效利用率也得到了明顯提高。

6、結論

本次改造解決了發電機滑環碳刷故障率高和安全隱患的問題，節約了檢修費用，并深刻體會到認真學習好專業知識并運用到生產工作中，才能有效地解決實際問題，也為今后處理類似問題積累了經驗，降本增效，為機組安全、經濟、穩定運行做出新的貢獻。

參考文獻：

[1]王建濤，張法朝，趙乾，等.汽輪發電機碳刷故障引起軸電流報警原因分析和應急處理[J].大電機技術，2016（3）

[2]丁鑫，許震.發電機軸接地裝置的改造[J].電力安全技術，2017，19（7）

（作者單位：新疆風能有限責任公司）