雙饋風力發電機滑環、碳刷故障分析及解決措施探討

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。