降低風(fēng)力發(fā)電機組滑環(huán)碳刷故障率的改造

胡博

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

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機組、發(fā)電機滑環(huán);碳刷故障率;降低故障率的改造

1、滑環(huán)、碳刷裝置結(jié)構(gòu)及功能

圖 1 是雙饋風(fēng)力發(fā)電機滑環(huán)、碳刷裝置的典型結(jié)構(gòu)圖，主要由導(dǎo)電環(huán)、刷架、刷握、碳刷、恒壓彈簧等部件組成。導(dǎo)電環(huán)安裝在電機主軸上，刷架系統(tǒng)固定在滑環(huán)室內(nèi)，電機在高速旋轉(zhuǎn)過程中，導(dǎo)電環(huán)與碳刷接觸傳導(dǎo)電流（其主要功能一方面是通過變頻器為轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流，另一方面是將轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出的電流引出，通過變頻器反饋到電網(wǎng)上）。接地裝置的作用是將電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸電流導(dǎo)出，避免軸承電蝕。

滑環(huán)、碳刷裝置常見故障

（1）碳刷溫度高，磨損快。

（2）滑環(huán)表面氧化膜損傷，環(huán)面有麻點、拉傷痕跡。

（3）碳刷與刷盒燒結(jié)，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(guān)觸點斷裂、恒壓彈簧變色等。

2、引發(fā)故障的主要影響因素

2.1滑環(huán)、碳刷冷卻通風(fēng)

滑環(huán)與碳刷在電機高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)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(chǎn)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(huán)環(huán)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(fēng)力發(fā)電機滑環(huán)、碳刷裝置安裝在滑環(huán)室里面，滑環(huán)室的防護等級為 IP23，空間比較封閉。因此，發(fā)電機滑環(huán)、碳刷運行中通風(fēng)散熱問題就顯得尤其重要。風(fēng)力發(fā)電機滑環(huán)冷卻一般采用軸流風(fēng)機、風(fēng)扇或利用電機空冷器出風(fēng)口風(fēng)量對滑環(huán)、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(fēng)路通暢，才能達到冷卻效果。

2.2 碳刷選型、安裝

風(fēng)力發(fā)電機目前大多采用的是進口品牌的碳刷，其品質(zhì)比較可靠。選型方面應(yīng)該注意的是與滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)的匹配性問題（不同型號、不同廠家的電刷，其導(dǎo)電性和硬度存在差異。材質(zhì)過硬，影響滑環(huán)和碳刷的動、靜接觸面，加大滑環(huán)摩擦，造成環(huán)面損傷;材質(zhì)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(nèi)振動，導(dǎo)致電刷接觸不良;太緊會影響碳刷在刷握中的自由滑動，嚴(yán)重時會出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)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(huán)同心，避免出現(xiàn)碳刷偏磨現(xiàn)象。

3、恒壓彈簧壓力

恒壓彈簧的作用是提供碳刷與滑環(huán)的接觸壓力，確保兩者之間有效接觸。當(dāng)壓力過小，雖然可以降低摩擦系數(shù)，減少機械磨損，但電氣磨損卻會大大增加，影響碳刷導(dǎo)電性能;反之，導(dǎo)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(fēng)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(huán)徑向跳動超差

滑環(huán)偏心、軸承故障、電機裝配等因素很容易造成滑環(huán)徑向跳動超差，使得碳刷與滑環(huán)表面接觸不穩(wěn)定，當(dāng)碳刷的滑動接觸出現(xiàn)進一步惡化，可能產(chǎn)生較大的火花，造成碳刷表面燒傷，破環(huán)氧化膜，加劇碳刷的磨損。超差嚴(yán)重電機發(fā)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(huán)燒損。

5、維護

（1）滑環(huán)室中、刷握間隙及刷架上的碳粉積碳嚴(yán)重，造成爬電、打火，燒損碳刷。

（2）并網(wǎng)運行時，碳刷接觸面不夠，電密超標(biāo)，出現(xiàn)發(fā)熱、打火現(xiàn)象。

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

（4）滑環(huán)室下部碳粉過濾器中積碳嚴(yán)重，造成冷卻風(fēng)路堵塞，滑環(huán)室溫度升高引發(fā)故障。

（5）接地碳刷刷辮接頭聯(lián)接松動、接地線斷裂，造成碳刷燒損，電機軸電流沒法有效導(dǎo)出，軸承電蝕。處理方法及預(yù)防措施根據(jù)以上分析的各種原因，結(jié)合風(fēng)電場處理滑環(huán)故障的一些經(jīng)驗，應(yīng)采取以下措施提升質(zhì)量，減少故障。

5.1滑環(huán)、碳刷設(shè)計選型

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

（2）滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)選用馬氏體不銹鋼，采用調(diào)質(zhì)處理增加硬度，提高耐磨性。沿海地區(qū)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(huán)、碳刷裝配

（1）對裝配好的滑環(huán)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(guān)線通斷，正常狀況下為常閉合狀態(tài)，避免出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(lián)接是否牢固，接觸部位是否清潔，防止碳刷與滑環(huán)刷架連接處接觸不良。

（5）檢查刷握與滑環(huán)環(huán)面的距離（間距應(yīng)為2.5～3mm）、刷握與滑環(huán)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(lián)接可靠，接觸面是否清潔。

通過以上措施的實施，滑環(huán)故障率出現(xiàn)明顯降低，風(fēng)電機組的有效利用率也得到了明顯提高。

6、結(jié)論

本次改造解決了發(fā)電機滑環(huán)碳刷故障率高和安全隱患的問題，節(jié)約了檢修費用，并深刻體會到認(rèn)真學(xué)習(xí)好專業(yè)知識并運用到生產(chǎn)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(jīng)驗，降本增效，為機組安全、經(jīng)濟、穩(wěn)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(fā)電機碳刷故障引起軸電流報警原因分析和應(yīng)急處理[J].大電機技術(shù)，2016（3）

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

（作者單位：新疆風(fēng)能有限責(zé)任公司）