雙饋風力發電機電刷滑環故障分析

【摘要】雙饋風力發電機目前已是網型風力發電機主流機型之一。滑環、電刷是發電機運行過程中極易出現問題的組成部分，極小的問題都會引發較大的事故。通過分析滑環振動造成的電刷沖擊及危害，并介紹了電刷的諧振頻率對安全產生的影響，提出預防故障的措施，減少因電刷、滑環引發的事故。

【關鍵詞】雙饋風力發電機；電刷滑環；故障處理

滑環、電刷是發電機運行過程中極易出現問題的組成部分[1]，極小的問題都會引發較大的事故。如：碳刷全部沒有接觸上，會引起發電機失磁的嚴重現象產生，出現環火，且發電機漏氫，很容易發生氫爆炸。因此分析引起雙饋風力發電機電刷滑環故障因素及其重要。

1.雙饋風力發電機磁滑環、電刷設計

雙饋風力發電機具有A、B、C三相勵磁滑環及相對應的電刷，并且還設置了接地滑環D及對應電刷。三相電流相對較大，因此各設置了S個基本均布電刷，D相接地滑環只有一個電刷，它可以接電機軸或星形勵磁繞組中線，方便將軸電流及中線電流通過電刷接地。

2.滑環的損傷和單個電刷摩擦形成的沖擊波形、振動與滑環故障分布規律相同

由于D相滑環一般情況下只設置1個電刷，因此很容易因為振動引起電刷、滑環分離，這樣就容易造成電弧及損傷。可以通過以下兩種方式進行檢測：（1）電刷座的振動沖擊；（2）判斷絕緣安裝的軸承座對地/機器外殼的軸電壓。如果滑環出現損傷，會在摩擦電刷過程中產生沖擊、振動，這樣不但磨損電刷，還會將滑環的損傷加重。滑環損傷的故障有很多，故障分布規律和數量通常情況下與柔性聯軸器爪數具有因果關系。電刷滑環故障的后期，運轉時將產生較強的沖擊、振動及軸電壓，這種強度可以掩蓋其他的故障信息。具有以下特征：若存在X處均布損傷，就會有X階轉頻沖擊譜。所以說滑環的損傷和單個電刷摩擦造成的振動、沖擊波分布規律和滑環分布規律相同。

3.滑環振動造成的電刷沖擊及危害

滑環存在較大的振動，像磁隙不均勻、轉子不平衡振動及滑環不圓度的電磁振動，激勵S個電刷以后將會造成點數和滑環的短暫分離。這時候D相單電刷和與其相對應的滑環將會發生電弧及損傷。其他三相的S個電刷不同步、相繼與對應的滑環實現分離后接觸，會產生相繼沖擊，這種沖擊的特征頻譜和轉頻的S階沖擊譜相等。

圖1 力學模型示意圖

假設電刷設計合理，且它與其壓緊彈簧組成機械二階系統，產生固有共振頻率FS，比滑環的轉動頻率FN要高很多，假設滑環出現不平衡、不圓度的問題，會引起正弦“滑環振動”幅度A=1mm，對電刷存在強迫作用。我們構建如圖1所示的力學模型示意圖，分析滑環振動和電刷振動的相互作用，箭頭指示運用正方向。我們可以很明白的看出，電刷正向位移不能比滑環正向位移小，不然，滑環會強迫電刷進行運動；電刷可以比滑環的正向位移大，與滑環分離。電刷的負向位移絕對值一定要大于滑環的負向位移，不然，滑環會對電刷運行形成阻礙作用；電刷也可以正于滑環負向位移，和滑環分離。

4.電刷的諧振頻率對安全產生的影響

二階系統的共振頻率由電刷與其壓緊彈簧構成，在設計時應將其設計成比滑環高的轉速頻率FN與該軸的最高激振源數Z倍相乘，即FN×Z，這樣不僅可以有效的降低電刷振動，還可以將電刷振動與其滑環的沖擊減小。

有一套經典的振動理論指出[2]：當強迫振動的頻率比系統的共振頻率要高的時候，系統的振動幅度會受到影響，振動幅度將會下降。我們假設有這樣一個諧振頻率FS=10Hz，二階系統的諧振增益為G=10倍，如果進行25Hz的強迫振動，此時的震動幅度響應應該是-1439dB，也就是說將它的振動降低至強迫振動的19%。這一套理論是不能在設計電刷與其壓緊彈簧構成的二階系統中應用，因為極有可能將振動相位響應和強迫振動相差177°的現實所忽略，意味著如果激勵振動滑環相對電刷運動的同時電刷也在向滑環做相應的運動，這樣一來必然會造成他們出現強烈的沖擊。

我們應該注意一點：因為滑環存在三菱度及不圓度，所以滑環的振動頻率不止于它的最高轉速頻率，當具備其爪數Z的（1-2）倍的時變剛度，經我們研究可以發現：當齒輪嚙臺推力較大時，轉動頻率為FN的電機軸進行輕載時，必然會產生FJ=FN×Z×2的振動頻率，進行重載時會產生FJ=FN×Z的振動頻率。例如：最高轉頻為FN=24的柔性聯軸器驅動發電機，Z=6時，轉軸的振動頻率能達到FJ=288Hz。個人建議500Hz-1000Hz的電刷諧振頻率最好設計為FS>2FJ。當改變柔性聯軸器成為數十齒的套齒聯軸器時，因為將他們的時變剛度進行了改善，大幅度的減小了振動，因此可以不用將電刷諧振頻率提高。增加壓緊彈簧的剛度能夠將FS的途徑提高，可能有人會認為這樣做也會增加電刷滑環摩擦時的摩擦力及正壓力，還會加速磨損，不過這樣是柔和的連續接觸摩擦，相比較強烈沖擊造成的損害要小很多。

5.總結

雙饋風力發電機的滑環、電刷是發電機運行過程中極易出現問題的組成部分，進行維護的時候需要注意一下幾方面問題：（1）加強巡回檢查力度，透過防塵罩窺視窗查看有無串火現象；（2）采用紅外線測溫儀進行電刷表面、集電環表面和銅辮的測溫，存在異常電刷需及時處理、更換；（3）定期維護電刷、滑環；（4）高濕條件下會發生電化學作用，可能腐蝕石墨氧化膜，因此發電機停機較長的時間時，最好將電刷取走，防止生成電解蝕痕[3]。

【參考文獻】

[1]俞立凡，Yu Li-fan.390H發電機電刷滑環的運行特性及其事故的處理[J].發電設備，2009，23（3）：219-222.

[2]唐德堯，曾承志，李合林.雙饋風力發電機電刷滑環故障信息分析及維修建議[J].風能，2010，（8）：60-65.

[3]鐘秋娟.3200kW發電機滑環燒蝕故障的分析及處理[J].當代農機，2011，（4）：70-71.