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(nèi)風力發(fā)電機快速發(fā)展，雙饋風力發(fā)電機裝機量的不斷提高，雙饋風力發(fā)電機整機質(zhì)量嚴重危及發(fā)電機的安全運行。滑環(huán)系統(tǒng)做為雙饋風力發(fā)電機動靜銜接和能量交換的設備，是雙饋風力發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的重要組成部分?；陔p饋風力發(fā)電機安裝于高空，使得滑環(huán)系統(tǒng)的日常維護工作量大，尤其是處于惡劣環(huán)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(huán)系統(tǒng)對雙饋風力發(fā)電機組具有一定的工程運用意義。

文獻從滑環(huán)系統(tǒng)風場運行狀況進行闡述，對滑環(huán)系統(tǒng)常見故障進行分類，根據(jù)風場滑環(huán)系統(tǒng)運行情況指導滑環(huán)系統(tǒng)設計的結(jié)構(gòu)選型，從而引發(fā)對滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的側(cè)重方向及設計理念；文獻結(jié)合國內(nèi)滑環(huán)系統(tǒng)制造狀況，驗證不同碳刷在各風場運行狀態(tài)，獲取碳刷選型設計的經(jīng)驗值；通過分析及驗證形成一套雙饋風力發(fā)電機用滑環(huán)系統(tǒng)設計方式。

2 雙饋風力發(fā)電機用滑環(huán)系統(tǒng)風場運行狀況

從2007年以來，雙饋風力發(fā)電機組在國內(nèi)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(wǎng)運行業(yè)績。通過對并網(wǎng)期間雙饋風力發(fā)電機故障統(tǒng)計分析，可知滑環(huán)系統(tǒng)故障占雙饋風力發(fā)電機總故障20%以上，嚴重制約著雙饋風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行，滑環(huán)系統(tǒng)的常見故障有：滑環(huán)系統(tǒng)氧化膜沒有有效建立，致使碳刷磨損異常；接地環(huán)過流，引發(fā)接地碳刷與接地環(huán)之間打火拉弧，致使接地環(huán)灼傷；滑環(huán)系統(tǒng)相環(huán)或接地環(huán)之間爬電距離太短，導致相環(huán)與接地環(huán)或相環(huán)之間的爬電擊穿故障；滑環(huán)系統(tǒng)密封性能差，在濕度較大環(huán)境下，相環(huán)對地絕緣電阻接近為零，引發(fā)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組對地放電；集電環(huán)引出線與轉(zhuǎn)子引出電纜線接頭處積碳，引發(fā)集電環(huán)絕緣灼傷，導致轉(zhuǎn)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(fā)某相相環(huán)磨損異常，嚴重時引發(fā)相環(huán)與恒壓彈簧灼傷故障；微動開關斷裂，引發(fā)恒壓彈簧與集電環(huán)相接觸放電拉環(huán)現(xiàn)象；澆鑄整體式滑環(huán)系統(tǒng)因受熱不一，引發(fā)絕緣開裂故障；組裝式滑環(huán)系統(tǒng)過盈量偏小，引發(fā)相環(huán)脫落故障。

綜上，滑環(huán)系統(tǒng)故障有表現(xiàn)為對軸電壓辨識不足所引發(fā)的接地環(huán)拉傷故障；有表現(xiàn)為對風場運行環(huán)境認識不足所引發(fā)的積碳爬電、絕緣擊穿等故障；有表現(xiàn)為設計考慮不周引發(fā)的密封缺陷、相環(huán)脫離、絕緣開裂等故障；有表現(xiàn)為對碳刷選型不充分所引發(fā)的碳刷磨損異常故障。通過上述分析，滑環(huán)系統(tǒng)在設計過程中，需側(cè)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(huán)表面積碳能力；三是結(jié)構(gòu)設計中避免集電環(huán)脫落。

3 滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

因雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，在滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中主要采用熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)（圖1）和膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)（圖2）來保證其可靠性。熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)是當前雙饋風力發(fā)電機組最常用的一種滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有廣泛運用業(yè)績，該結(jié)構(gòu)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(huán)結(jié)構(gòu)是在熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)基礎上加膠鑄處理，以提升膠鑄式滑環(huán)系統(tǒng)的整體密封性能，該結(jié)構(gòu)能承受各種惡劣氣候運行且確保其密封性能，該結(jié)構(gòu)在熱脹冷縮作用力下出現(xiàn)絕緣開裂故障概率相比熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)要突出。

圖1 熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)

圖2 膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)構(gòu)設計

4.1 材料選取

滑環(huán)系統(tǒng)安裝防護等級為IP23，滑環(huán)系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)是滑動接觸部件，集電環(huán)必須具備一定的耐磨性，故集電環(huán)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(huán)系統(tǒng)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(huán)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(shù)不一，需調(diào)節(jié)制作工藝參數(shù)來保證熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)整體密封性能；整體膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)，因其膠鑄絕緣材料固化溫度達140℃以上，結(jié)合風場運行狀況，需關注膠鑄絕緣材料在高低溫環(huán)境下抗老化和脆化能力，通過調(diào)整膠鑄固化溫度和絕緣材料成分的配比來優(yōu)化膠鑄絕緣材料的力學性能。

4.2 結(jié)構(gòu)設計

滑環(huán)系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)部件集電環(huán)、固定部件刷架和鏈接部件碳刷組成。

集電環(huán)可靠性設計要求較高，在集電環(huán)設計過程中需關注如下項點：兼顧雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣電阻需求，集電環(huán)在受潮的情況下絕緣電阻應不低于0.69MΩ，集電環(huán)設計需驗證其密封性能，針對海上風電或濕度較大地區(qū)，集電環(huán)需通過浸水試驗驗證；隨著滑環(huán)系統(tǒng)的運行，滑環(huán)裝配空間內(nèi)存在積碳缺陷，故集電環(huán)設計過程中需確保集電環(huán)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(huán)間和相環(huán)與接地環(huán)之間絕緣材料設計自帶清理碳粉功能的非圓形結(jié)構(gòu)以便減低碳粉在集電環(huán)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(huán)與絕緣材料在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下結(jié)構(gòu)可靠；集電環(huán)動平衡量將影響發(fā)電機的振動，在集電環(huán)設計中需分布消除因?qū)щ姉U引起的不平衡量；導電桿與集電環(huán)相環(huán)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(fā)的轉(zhuǎn)子三相電流不平衡現(xiàn)象，故導電桿與集電環(huán)相環(huán)鏈接采用銀銅焊接處理。

刷架是滑環(huán)系統(tǒng)固定裝置，主要由固定裝置、刷握、恒壓彈簧和監(jiān)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(huán)系統(tǒng)，在不同設計直徑和轉(zhuǎn)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(tài)過程，為確保氧化膜有效建立并結(jié)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(huán)打火拉弧。

微動開關是實現(xiàn)滑環(huán)系統(tǒng)遠程監(jiān)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(fā)電機用滑環(huán)系統(tǒng)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(nèi)，微動開關最大行程需超出恒壓彈簧壓指行程。

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

碳刷氧化膜的建立與碳刷成分、運行環(huán)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(fā)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(jīng)濟實惠的碳刷。我公司結(jié)合并網(wǎng)運行風機對國內(nèi)常用的碳刷型號進行風場對比驗證。經(jīng)驗證，RC53主碳刷、carbon brush（A）和carbon brush（B）接地碳刷配套使用，可實現(xiàn)碳刷2年一換。

5 結(jié)論

采用熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)和膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)的滑環(huán)系統(tǒng)各具優(yōu)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(huán)系統(tǒng)趨向選擇澆鑄式滑環(huán)結(jié)構(gòu)配耐磨性碳刷。

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

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