風力發電機組變槳滑環常見故障機理與研究

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 楊家興 齊春祥 王志勇

1 引言

為推動我國無故障風電場建設，結合現場頻發性故障編寫風電設備典型故障案例，為風電場運維管理提供有力參考價值。變槳系統是風電機組的重要組成部分，可以通過控制槳距角控制風輪轉速，從而達到恒定輸出功率的目的。變槳滑環主要起到機艙控制與變槳控制之間傳輸動力電源、安全鏈控制信號以及變槳數據通信的作用[1-2]。以遼寧某風場為例，根據初步統計，在投產超過10年的老舊風電機組中，因變槳滑環故障引起的故障停機占比超過全年故障的50%左右，可見變槳滑環的平穩運行對機組起到重要作用。若滑環出現問題，將直接導致安全鏈斷開，造成機組急停回槳，對機組安全運行產生不可預估的危害。

2 變槳滑環結構及工作原理

變槳滑環主要用于風力發電機設備轉動部件與靜止部件之間的電氣連接，是向旋轉狀態下的設備持續提供電源和信號傳輸的關鍵部位，滑環主要由滑環主體（包括滑環體、電刷、精密軸承組成）、溫控系統、外殼、連接電纜組成，其中滑環體和電刷俗稱為摩擦副，變槳滑環結構示意圖如圖1所示。

圖1 變槳滑環結構示意圖

變槳滑環設計基本上是滑環體以銅基為基材，電鍍貴金屬（金鈷、鈀金、硬銀等靶材材料），電刷以三元合金、四元合金、六元合金（金、銀、銅、鈀、鉑、銠等合金材料）為基材。其原理是滑環體和電刷旋轉接觸并保持一定的壓力，達到傳輸電壓、電流以及數據等信號[3]。其摩擦副的匹配度對于滑環壽命和性能起決定性作用。變槳滑環品牌眾多，但是其基本原理類似。

3 變槳滑環常見故障

變槳滑環主要起到機艙控制與變槳控制之間傳輸動力電源、安全鏈控制信號以及變槳數據通信的作用。如果滑環出現故障，主要有兩種情況，一般性故障和嚴重性故障。

3.1 一般性故障

一般性故障是指現場可處理性故障，故障類型有芯體內接觸導通性問題、密封問題、主要附件損壞、滑環外部損傷、磨屑問題以及刷針跳動問題等。

3.2 嚴重性故障

嚴重性故障是指現場無法修復，滑環遭到破壞性損壞，需要返廠維修處理，故障類型有滑環內部燒損、滑環各通道短路或斷路的問題、主軸跳動過大，芯軸偏磨、芯軸滑道鍍層磨耗過大等問題。

4 變槳滑環故障分析

4.1 滑環體與電刷導通問題

滑環體和電刷接觸不良會造成信號傳輸丟失，其產生原因多為連接器插針變形、銹蝕，或因密封性不好，致使油污覆蓋滑環體表面。風電機組機艙與變槳之間通信連接通過滑環采用Profibus-DP 或CAN-open通信總線進行交互，安全鏈控制通過滑環滑道與葉輪轉速檢測裝置連接，故伴隨風機故障現象為信號、通信通道的信號缺失，復位后正常，間斷性又出現故障。遇見該類故障，用萬用表檢測各路通斷、精密阻值儀檢測各通道的動態阻值，還需要拆開滑環清除油污等污染物，更換損壞部件。

4.2 主要附件損壞問題

編碼器檢測無信號如圖2所示，編碼器不規則信號抖動波形如圖3所示。

圖2 編碼器檢測無信號

圖3 編碼器不規則信號抖動波形

變槳滑環集成了電路板、編碼器、浪涌保護器、加熱器以及溫控器等電氣元件，電氣元件損壞，也會導致機組報故障停機。結合所報故障代碼，逐步排查分析，若出現以上故障，需要更換相應零部件，再次進行測試，直至滑環指標參數符合技術要求。

如圖2和圖3所示，編碼器故障常伴隨現象為編碼器跳變，轉速差偏大，復位后正常。其主要原因有滑環支撐桿不牢固，震動傳導導致轉速突變。編碼器聯軸節松動，導致轉速失真。編碼器本身故障干擾，采用示波器觀測編碼器波形，靜態波形出現不規則齒形，表示編碼器電路系統故障，波形正常的表示編碼器無故障，則需檢查聯軸節、支撐桿。

4.3 滑環外部損傷問題

由于機組不同滑環放置位置也有所不同，有的機組將滑環置于輪轂內部，還有放置在機艙內部，無論放置何處其功能均是完成機艙與變槳系統之間的可靠電氣連接關鍵部件。滑環外部損壞主要體現在殼體外部結構損壞、電纜破損、編碼器聯軸節和航空插頭損壞、防水接頭、密封件損壞等方面。這類一般性問題的損壞，通過肉眼或儀器測量即可判斷，維修也很簡單，通過清理維修和換件，或用專業工具調整，可以恢復[4]。

4.4 磨屑問題以及刷針跳動問題

目前市面上U 形滑環主要有LTN 和穆格，V 形滑環主要有史萊福靈、基騰和中能動力等，在動力傳輸和信號傳輸方面U形滑環和V形滑環各有優勢。通過滑環的結可以發現U 形滑環的導電環和電刷絲之間的接觸面是一個圓弧面，由于導電環在圓周內的機械加工具有不一致性，隨著滑環轉動，其導電環與電刷絲之間的接觸面積在不斷變化。一旦有雜物入侵或者磨損的殘屑落到導電環的U 形槽中，勢必引起接觸面積發生變化，接觸電阻也隨之變化，增加電噪聲，產生電磁干擾，尤其在傳輸信號等微電流時影響更加明顯[5]。

V 形滑環相對U 形滑環在信號傳輸方面更加優秀，采用單針結構，刷針V 型槽口里，刷針與環道之間有2個接觸點，受震動影響小，信號傳輸穩定，刷針必須保持較大的接觸壓力以保證通流的穩定性，必須采用潤滑劑以保證刷針與滑道之間的順暢滑動。V 形滑環同樣存在不足，由于滑劑本身的黏性，又將磨屑粘連在一起，造成信號的誤傳遞。所以單刷針的滑環必須經常清洗，再涂潤滑劑。另外由于單刷針結構，在震動條件下，刷針卡緊結構松動情況下，會出現刷針跳動現象。信號通道會出現突然的信號中斷報警，復位后又恢復的情況，這就需要使用動態阻值檢測儀，測試滑環通道的動態阻值，可以判斷刷針與環體的接觸性能。

U形滑環與V形滑環示意圖如圖4所示。

圖4 U形滑環與V形滑環示意圖

4.5 滑環燒損問題

滑環燒損多是在滑環芯體內部，因為在整個系統，滑環芯體摩擦副是最脆弱的地方，一旦有大電流、接觸故障、接地不良等情況發生，就會導致滑環滑道打火、點蝕、燒灼等問題。正常情況下的滑環容量可以滿足工作要求，一旦系統出現電流波動的時候，主通道燒損情況特別嚴重（現場測試中最大持續電流可達到80A）。尤其是230V通道，通道僅采用單針通道，在逆變器電壓波動時，230V系統啟動時，電流的波動較大，很容易造成燒損。現場應用中，加熱器等部件燒損情況也很普遍。

滑環內部環道、針刷電路板、動力電纜、信號電纜和主軸等燒損，滑環環道嚴重燒壞，材料經過高溫后，導電性能改變，且環道表面由黑色粉末附著，無法清除。故出現該故障，首先判斷滑環容量是否足夠滿足要求，必要情況下更換大容量滑環，并且查明接地是否良好，排除非滑環本體原因。

4.6 滑環各通道短路、斷路的問題

滑環經常會出現各通道導通的問題，或者斷路的情況。運行時表現主通道為空開頻繁跳閘，信號通道或通信通道頻繁報錯。有的雖然沒有短路，但是在測量相間絕緣時候，僅有50MΩ，甚至更低，這種情況下滑環裝機后自檢都無法通過。排除外部原因后，這類故障多是由于滑環芯體內部導通或者斷路所致，通過絕緣及耐壓測試，可以判定這一故障。一旦確定主軸內部絕緣過低，或者通道斷路，需要更換主軸。

4.7 芯軸環道鍍層磨耗檢測

滑環的震動過大，造成環道磨耗不均，局部磨損嚴重。通道電流出現突變，可能會在環道上出現燒損疤痕，破壞環道鍍層，這種情況需要對環道進行修復或者更換主軸。

5 變槳滑環維護

滑環定期維護和機組定期維護時間應保持同步,一般周期每年進行一次。主要內容包括如下。

一是檢查滑環外殼等零部件是否有腐蝕現象。二是檢查各電纜接頭是否出現松動現象。三是拆除滑環上的支撐桿，轉動滑環定子，檢查軸承是否有異音、震動等現象，檢查各密封圈、密封墊是否有損壞。四是打開滑環外殼，檢查刷束和滑環是否有明顯的電蝕、機械損傷、污染物等，并清理污物。五是清洗滑環過程嚴格按照維護手冊執行，清洗后恢復安裝，保證滑環完整性、可靠性和穩定性。

頻繁清洗滑環會對滑環使用壽命產生一定影響，在定期維護對滑環導電環道進行清洗時，嚴禁使用油基清洗劑，以防對環道和電刷產生腐蝕。清洗時，禁止拆卸電路板,清洗完使用熱風槍均勻烘干，對每個導電環道適量噴涂潤滑油，同時完成對外部通信線及Harting接頭等部件的重點檢測和維護。

6 結語

本文通過對變槳滑環常見故障進行案例分析，找到故障發生的根本原因，并且提出處理故障方法，為保證風機安全運行提供參考，有效降低了現場變槳滑環故障率，對現場無故障風電場建設起到積極的推動作用。