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雙饋風力發電機滑環、碳刷故障分析及解決措施探討

2018-03-04 12:20:22鐘紹輝解京晶
風能 2018年8期
關鍵詞:發電機故障

文 | 鐘紹輝,解京晶

滑環、碳刷裝置是雙饋異步風力發電機實現轉子電流雙向傳輸的關鍵部件。經統計,滑環、碳刷裝置的故障率占比較高,經常造成電機無法啟機、軸承損傷等故障。此類故障維修時間較長,損傷嚴重時需下架處理,給業主造成重大經濟損失。因此提升滑環、碳刷裝置的質量可靠性,對機組的安全、高效運行有著重要的意義。

本文對滑環的結構、工作原理做了簡單闡述,主要介紹了滑環出現的各類型故障及相應的處理措施。

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(圖2)。

(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。

引發故障的主要影響因素

一、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。

圖1 滑環結構圖

圖2 環面損傷狀況

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。

二、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)。還有一方面就是針對不同環境采用不同材質的碳刷,一般情況下分為沿海型、平原型、高原型三類,針對風電機組不同運行環境選擇適配牌號的碳刷較為合理。

碳刷安裝在刷握中不能過緊或過松。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。

三、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。圖3是對已使用5年的幾組主碳刷恒壓彈簧做的壓力檢測,有效值應為1600cN±10%,檢測結果個別存在失效現象。

四、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。

五、碳刷均流性

風力發電機轉子電流值大,這就需要在同相上排布N個碳刷引流。由于碳刷材質、彈簧壓力、接觸電阻存在差異性,會導致碳刷之間電流值偏差較大,個別碳刷電密超過允許的最大值,造成碳刷發熱嚴重,破壞氧化膜,導致環面燒損。

圖3 壓力測試結果

表1 機組運行環境

六、運行環境

風力發電機的運行環境幾乎涵蓋了各種氣候條件(表1)。

在風力發電機的各種運行環境中,沿海及高原環境對滑環、碳刷的影響最大。這兩類地區因空氣中水份含量較大,尤其是高原環境下凝露現象嚴重,對滑環表面的氧化膜有很大的影響。據相關資料顯示,當絕對濕度大于20g/m3時,由于空氣濕度過大,會加劇氧化膜的形成,造成氧化膜增厚,碳刷接觸壓降升高,增加電氣損耗。同時會使電刷產生過熱、打火等現象,致使滑環燒損。因此在這兩類地區對滑環室內部濕度的控制尤為重要。

七、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。

一、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。

二、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。

三、風電場維護

(1)更換碳刷后必須先要用100號砂紙預磨接觸面,讓電機空轉約30分鐘繼續磨合接觸面,達到80%以上才可以并網運行。更換接地碳刷時如果是雙拼結構的,要按照電機旋轉方向,碳刷滑入端是含碳的一側,滑出端為含銀的一側,遵循先潤滑后導電的原則。

(2)同一臺電機上碳刷牌號必須與廠家要求的一致,絕對不允許不同牌號、不同批次的碳刷混裝。

(3)對于滑環表面有麻點、凸點的,用油石先打磨掉大的凸起點,然后用0號拋光砂紙進行打磨,直到滑環表面恢復光滑方可。若損傷嚴重,建議拆下來對環面進行加工處理,加工時要控制滑環內孔與外圓同軸度在0.03mm以內、環面粗糙度Ra在0.8~1.2μm后再安裝使用。

(4)定期清理滑環室、滑環表面、刷架、刷握縫隙積落的碳粉,避免積碳嚴重。滑環環面保持清潔,無油污與附著物。

(5)定期更換碳粉收集器中的濾棉,保持滑環室冷卻風路通暢。

(6)對于高原、近海環境下濕度大、氣溫低的地區,長時間停機情況下,電機運行前要開啟滑環室中的加熱器進行加熱,避免滑環表面出現凝露現象,引發滑環、碳刷打火問題。

圖4 2013-2017年滑環故障率

實施效果

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。

結論

本文通過對滑環的結構介紹,從冷卻通風、碳刷選型/安裝、恒壓彈簧壓力、滑環徑向跳動超差、碳刷均流性、運行環境、維護等七方面對滑環、碳刷故障進行了分析,并給出了相應的處理措施,在實際運行中取得了良好的效果。

由于風電運行環境惡劣、現場維護不到位等原因,對影響滑環、碳刷正常運行的一些不利因素還無法控制到理想的狀態,需要進一步采取措施,提升產品質量及維護水平,保證風電機組的高效運行。

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