基于風力發電機組的碳刷打火原因研究

錢赫 余清清 王瀟 潘特

摘要：隨著風力發電技術不斷發展，對機組內部零部件的維護與故障檢測越來越重要，本文就針對風電機組的雙饋發電機部分，本文旨在于對風電機組發電機滑環室內碳刷打火現象的原因進行分析，在三種機理的猜想下進行分析或試驗對比驗證，本文證明了猜想的正確性，得出了打火產生的主要原因在于接觸力的變化及電荷的放電所引起的，并可以此作為依據來保護風電機組的正常運作。

關鍵詞：風力發電機組 碳刷打火 接觸力變化 熱擊穿 電擊穿

中圖分類號：TK83? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

一、研究背景

本文是基于風力發電機組雙饋電機滑環室內滑環與碳刷接觸打火展開的，分析碳刷表面打火情況下的電流波動是由什么因素所引起的。查閱文獻后，我們起初推測該打火現象的發生可能由于滑環室與碳刷之間的頻繁摩擦引起的，而引起頻繁摩擦的主要在于滑環室的離心現象，使得滑環室表面與碳刷表面的接觸力大小在不斷的變化，最終導致打火的產生;第二個觀點是對熱接觸理論的討論，考慮溫升對碳刷表面熱擊穿的影響;再者還有個觀點是碳刷內流經的電流電擊穿導致，使得我們肉眼能夠觀測到打火的現象;下文中我們會就這三個觀點分別進行討論，來探究造成碳刷打火現象的真正原因。

二、研究目標

本文旨在于對風電機組電機的滑環室內碳刷打火原因進行探究，本文共涉及兩個試驗，一個理論推論，分別對應三種對碳刷打火的解釋，對后續我們風電機組在正常運行時對滑環室內碳刷的打火情況可以做出相對應的檢測，提前及時的對碳刷進行維護或者更換處理有著關鍵的作用，也可憑此方法研制一套可用于提前預警的裝置來保護風電機組的正常運作。

三、打火機理分析

機理1：基于接觸力變化的碳刷打火現象

本原理最早由提出并探究其方法，該原理主要闡述了碳刷與滑環室在高速運動下，滑環室離心率變化導致的與碳刷接觸力變化，最終引起碳刷表面打火現象的產生。在探究滑環與碳刷間的打火原因時我們有以下的猜想：碳刷與滑環室打火現象的產生可能不光光是磨損造成的，還需考慮到可能是接觸力的減少、滑環表面的急劇的離心率造成。倘若滑環表面的離心率急劇增大，對應滑道與碳刷會在徑向產生額外的接觸力，使得滑環與碳刷直接的接觸面積不斷發生變化，導致電機轉子側的電流特性發生改變，我們現在可以運用FFT來診斷和評估這份電流改變。

從我們對波形的電流特征量進行放大可以看到，滑環室離心率過大撞擊碳刷時，轉子電流的特征值會有明顯的變化，導致打火現象的產生。

為了評估打火的等級，我們需要記錄一段長期的轉子側波形，但火花在任何時期都不會經常發生，因此我們的試驗臺運行在最大轉速下，并記錄了大量的數據，我們發現：在高轉速下，打火時電流有明顯的變化（如下圖1所示），我們以此來評判打火的產生。

我們對采集到的數據進行FFT分析可以得到，不同速度下電機的電流頻率。并進行對比分析，分析不同頻率下的電機轉子的電流大小，觀察到電機在電流頻率達到一定值時有打火的現象產生。以此來說明滑環室離心率和碳刷打火有直接的關聯（如圖1所示）;在知曉了接觸力對碳刷打火存在關聯之后，我們查閱了相關針對接觸力的三相接觸力試驗，將電機的3相分別增加不同大小的接觸力，得到如下的結論（如圖2所示），

在不同的接觸力下，打火的頻率有明顯的區別，這也驗證了我們的猜想，說明接觸力的變化的確是碳刷產生打火的一種方式。

機理2：基于熱擊穿的碳刷打火

熱擊穿是通過而發生的擊穿。此類擊穿一般來說僅在特殊條件下，例如較高溫度下 是重要的，溫度較高下存在打火的情況，其特征是擊穿電場強度 （或擊穿電壓）與溫度密切 有關。電介質的熱導率：

式中：C—聲子熱容;v—聲速;l——聲子之間倒逆碰撞的平均自由程。在高溫下，l與絕對溫度 T大致成反比，C與v保持為常數。因此：

另一方面，由各相電極注入電介質（碳刷）的電流產生焦耳熱，由于K降低，這些熱量不能順利地排出電介質，溫度繼續升高，K變的更低，這一正反饋過程導致晶格破壞，這即為熱擊穿過程。

機理3：基于電擊穿的碳刷打火現象：

對于電擊穿機理，另一方面，當電介質溫度低于 ，若加上某一相當高的電場強度，即我們試驗給與的大功率時，發現擊穿可在數量級為 ～ 秒時間內發生擊穿放電，且擊穿電場強度對溫度的依賴遠小于熱擊穿的情況。這種情況下發生的擊穿稱為電擊穿。

我們這次也設計了一個試驗臺來驗證這個猜想（試驗臺見下圖2），我們搭建的這個臺子可以創造碳刷打火的現象，將電機運行在滿轉速的情況下，對電機施加功率到1750kW，以此來創造大電流的擊穿環境，同時我們用dewetron-800儀器來檢測轉子側的電流波形，檢測到碳刷表面打火的同時，在波形上也獲取到相對應的“打火波形”，如下圖3所示：

從“打火波形”上我們可以看到波形在打火處有個尖峰，即電流有突變的現象，我們可以理解成電荷發生了擊穿，導致尖端放電，電流才出現了突變的現象，使得我們觀察到打火的產生。

四、研究總結

綜合上述三種機理可知，第一種機理說明碳刷表面接觸力變化與表面電荷的尖端放電均會導致碳刷表面出現打火的現象，碳刷接觸力比較測試結論：1、多孔的碳刷在高轉速與大電流下有較好的表現;2、提高碳刷表面的壓力能夠有效的增大碳刷與集電環的穩定性，減少打火的發生;第二種機理說明熱擊穿也是導致碳刷發生打火的誘因之一，但我們這次只是理論的概述，需要試驗來驗證;第三種機理說明電擊穿的情況要顯得更為極端一點，需要電流達到一定值才能引發，且機組正常運行時不太容易觸發電擊穿。相較之下，接觸力需要高轉速作為支撐，在高轉速下才會使得電機轉子處滑環室出現較大的離心率，這個機理更為貼合我們當下風機的運行狀況下可能的觸發條件，后續我們會針對這一情況做出相對應的風電機組打火預警裝置。

參考文獻（References）：

[1] M. Würfel， W. Hofmann? Monitoring of the transmission properties of the rotor slip ring system? of doubly-fed induction generators[J]. IEMDC.2005.1957372005： 295-299

[2] Noboru Morita， Masami Mori， Comparison of Brush Sliding Contact Characteristics between Structure Steel Ring & Stainless Steel Ring for Large AC Motors[J]. HOLM.2008.ECP.29? ?98-102

[3] 張積之，固態電介質擊穿機理研究的發展與現狀[J].上海鐵道學院學報，1991（9）：93-104

作者簡介

錢赫（1994-），男，本科，浙江工業大學畢業，研究方向電氣自動化與工業控制系統