雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)用滑環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文／江蘇南車電機(jī)有限公司 陽(yáng)輝力 鄧方林 鄒強(qiáng)龍 祝令帥／

1 前言

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)量的不斷提高，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)質(zhì)量嚴(yán)重危及發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行?；h(huán)系統(tǒng)做為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)靜銜接和能量交換的設(shè)備，是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分。基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝于高空，使得滑環(huán)系統(tǒng)的日常維護(hù)工作量大，尤其是處于惡劣環(huán)境下的（高原、海洋）的機(jī)組，其維護(hù)維修工作更加困難，維護(hù)成本尤為突出，故設(shè)計(jì)高可靠性、低維護(hù)的滑環(huán)系統(tǒng)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有一定的工程運(yùn)用意義。

文獻(xiàn)從滑環(huán)系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行闡述，對(duì)滑環(huán)系統(tǒng)常見故障進(jìn)行分類，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行情況指導(dǎo)滑環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選型，從而引發(fā)對(duì)滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的側(cè)重方向及設(shè)計(jì)理念；文獻(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)滑環(huán)系統(tǒng)制造狀況，驗(yàn)證不同碳刷在各風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，獲取碳刷選型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值；通過(guò)分析及驗(yàn)證形成一套雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)用滑環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)用滑環(huán)系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀況

從2007年以來(lái)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在國(guó)內(nèi)各風(fēng)場(chǎng)得到了廣泛裝機(jī)，雙饋風(fēng)電機(jī)組已具備5年以上并網(wǎng)運(yùn)行業(yè)績(jī)。通過(guò)對(duì)并網(wǎng)期間雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障統(tǒng)計(jì)分析，可知滑環(huán)系統(tǒng)故障占雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)總故障20%以上，嚴(yán)重制約著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行，滑環(huán)系統(tǒng)的常見故障有：滑環(huán)系統(tǒng)氧化膜沒(méi)有有效建立，致使碳刷磨損異常；接地環(huán)過(guò)流，引發(fā)接地碳刷與接地環(huán)之間打火拉弧，致使接地環(huán)灼傷；滑環(huán)系統(tǒng)相環(huán)或接地環(huán)之間爬電距離太短，導(dǎo)致相環(huán)與接地環(huán)或相環(huán)之間的爬電擊穿故障；滑環(huán)系統(tǒng)密封性能差，在濕度較大環(huán)境下，相環(huán)對(duì)地絕緣電阻接近為零，引發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地放電；集電環(huán)引出線與轉(zhuǎn)子引出電纜線接頭處積碳，引發(fā)集電環(huán)絕緣灼傷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地絕緣為零；零部件恒壓彈簧失效，致使三相電流不均勻，引發(fā)某相相環(huán)磨損異常，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)相環(huán)與恒壓彈簧灼傷故障；微動(dòng)開關(guān)斷裂，引發(fā)恒壓彈簧與集電環(huán)相接觸放電拉環(huán)現(xiàn)象；澆鑄整體式滑環(huán)系統(tǒng)因受熱不一，引發(fā)絕緣開裂故障；組裝式滑環(huán)系統(tǒng)過(guò)盈量偏小，引發(fā)相環(huán)脫落故障。

綜上，滑環(huán)系統(tǒng)故障有表現(xiàn)為對(duì)軸電壓辨識(shí)不足所引發(fā)的接地環(huán)拉傷故障；有表現(xiàn)為對(duì)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境認(rèn)識(shí)不足所引發(fā)的積碳爬電、絕緣擊穿等故障；有表現(xiàn)為設(shè)計(jì)考慮不周引發(fā)的密封缺陷、相環(huán)脫離、絕緣開裂等故障；有表現(xiàn)為對(duì)碳刷選型不充分所引發(fā)的碳刷磨損異常故障。通過(guò)上述分析，滑環(huán)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需側(cè)重以下三方面：一是解決不同材料熱脹冷縮下絕緣密封問(wèn)題；二是降低集電環(huán)表面積碳能力；三是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免集電環(huán)脫落。

3 滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

因雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，在滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要采用熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)（圖1）和膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)（圖2）來(lái)保證其可靠性。熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最常用的一種滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有廣泛運(yùn)用業(yè)績(jī)，該結(jié)構(gòu)在線維護(hù)性能好，然整體密封性能欠缺，存在受潮絕緣電阻偏低缺陷。膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)是在熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加膠鑄處理，以提升膠鑄式滑環(huán)系統(tǒng)的整體密封性能，該結(jié)構(gòu)能承受各種惡劣氣候運(yùn)行且確保其密封性能，該結(jié)構(gòu)在熱脹冷縮作用力下出現(xiàn)絕緣開裂故障概率相比熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)要突出。

圖1 熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)

圖2 膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 材料選取

滑環(huán)系統(tǒng)安裝防護(hù)等級(jí)為IP23，滑環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮材料防腐能力，故刷握、恒壓彈簧和微動(dòng)開關(guān)等含有金屬零部件必須做防腐處理，防腐等級(jí)不低于ISO12944中C4H要求；同時(shí)因滑環(huán)系統(tǒng)是滑動(dòng)接觸部件，集電環(huán)必須具備一定的耐磨性，故集電環(huán)推薦使用高強(qiáng)度不銹鋼鍛件。

絕緣材料的選取和處理是滑環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。絕緣材料選取時(shí)應(yīng)能滿足高低溫沖擊，需具備一定回彈、伸縮性等機(jī)械性能。如，熱套組裝式集電環(huán)需考慮絕緣材料與金屬材料的收縮性，一般金屬材料受熱收縮比是絕緣材料的10～20倍。因其線性膨脹系數(shù)不一，需調(diào)節(jié)制作工藝參數(shù)來(lái)保證熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)整體密封性能；整體膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)，因其膠鑄絕緣材料固化溫度達(dá)140℃以上，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀況，需關(guān)注膠鑄絕緣材料在高低溫環(huán)境下抗老化和脆化能力，通過(guò)調(diào)整膠鑄固化溫度和絕緣材料成分的配比來(lái)優(yōu)化膠鑄絕緣材料的力學(xué)性能。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑環(huán)系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)部件集電環(huán)、固定部件刷架和鏈接部件碳刷組成。

集電環(huán)可靠性設(shè)計(jì)要求較高，在集電環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程中需關(guān)注如下項(xiàng)點(diǎn)：兼顧雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣電阻需求，集電環(huán)在受潮的情況下絕緣電阻應(yīng)不低于0.69MΩ，集電環(huán)設(shè)計(jì)需驗(yàn)證其密封性能，針對(duì)海上風(fēng)電或濕度較大地區(qū)，集電環(huán)需通過(guò)浸水試驗(yàn)驗(yàn)證；隨著滑環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行，滑環(huán)裝配空間內(nèi)存在積碳缺陷，故集電環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程中需確保集電環(huán)表面爬電距離（最小爬電距離應(yīng)不小于60mm）；絕緣材料表面須做污閃處理，相環(huán)間和相環(huán)與接地環(huán)之間絕緣材料設(shè)計(jì)自帶清理碳粉功能的非圓形結(jié)構(gòu)以便減低碳粉在集電環(huán)表面的附著能力；裝配需綜合考慮絕緣材料的力學(xué)性能和過(guò)盈量，確保相環(huán)與絕緣材料在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下結(jié)構(gòu)可靠；集電環(huán)動(dòng)平衡量將影響發(fā)電機(jī)的振動(dòng)，在集電環(huán)設(shè)計(jì)中需分布消除因?qū)щ姉U引起的不平衡量；導(dǎo)電桿與集電環(huán)相環(huán)鏈接需牢固且控制其接觸電阻，避免因接觸電阻過(guò)大、不均勻引發(fā)的轉(zhuǎn)子三相電流不平衡現(xiàn)象，故導(dǎo)電桿與集電環(huán)相環(huán)鏈接采用銀銅焊接處理。

刷架是滑環(huán)系統(tǒng)固定裝置，主要由固定裝置、刷握、恒壓彈簧和監(jiān)控設(shè)備（微動(dòng)開關(guān)）組成，在刷架設(shè)計(jì)中需注意如下事項(xiàng)：

任意滑環(huán)系統(tǒng)，在不同設(shè)計(jì)直徑和轉(zhuǎn)速下，碳刷運(yùn)行時(shí)所受的摩擦力僅與碳刷的重量及恒壓彈簧的壓力值相關(guān)，氧化膜的建立是新舊氧化膜更替動(dòng)態(tài)過(guò)程，為確保氧化膜有效建立并結(jié)合風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀況，恒壓彈簧壓力值選取為2～2.5N/cm2，如恒壓彈簧壓力值過(guò)大將加劇碳刷磨損，恒壓彈簧壓力值過(guò)小碳刷在刷握中存在跳動(dòng)，將導(dǎo)致集電環(huán)打火拉弧。

微動(dòng)開關(guān)是實(shí)現(xiàn)滑環(huán)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的核心裝配，微動(dòng)開關(guān)的高可靠性亦是刷架設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)，目前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)用滑環(huán)系統(tǒng)所采用的微動(dòng)開關(guān)絕大部分采用塑料件，材料選取必須考慮高低溫脆化，微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)需防止恒壓彈簧壓指壓斷微動(dòng)開關(guān)觸頭，故微動(dòng)開關(guān)觸動(dòng)行程須在恒壓彈簧壓指行程內(nèi)，微動(dòng)開關(guān)最大行程需超出恒壓彈簧壓指行程。

碳刷是滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行鏈接部分，碳刷與集電環(huán)運(yùn)行時(shí)的匹配性是碳刷選型的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)缺乏碳刷研制技術(shù)，相比國(guó)外知名碳刷制造商仍有較大差距，基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境的特殊性，本文獻(xiàn)碳刷的選取立足進(jìn)口件，結(jié)合我公司雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

碳刷氧化膜的建立與碳刷成分、運(yùn)行環(huán)境、電流密度、震動(dòng)等因素相關(guān)。氧化膜能否有效建立將影響碳刷的使用壽命，因我國(guó)風(fēng)力發(fā)電運(yùn)用地域廣泛，有高原、干旱、平原、沿海、潮間帶和海上等，這對(duì)碳刷的選型帶來(lái)不便。為開拓一款通用性強(qiáng)、耐磨性好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的碳刷。我公司結(jié)合并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)常用的碳刷型號(hào)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)對(duì)比驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，RC53主碳刷、carbon brush（A）和carbon brush（B）接地碳刷配套使用，可實(shí)現(xiàn)碳刷2年一換。

5 結(jié)論

采用熱套組裝式集電環(huán)結(jié)構(gòu)和膠鑄式集電環(huán)結(jié)構(gòu)的滑環(huán)系統(tǒng)各具優(yōu)勢(shì)，前者風(fēng)場(chǎng)在線維護(hù)性較高，后者整體性能較好。針對(duì)風(fēng)電維護(hù)難、維護(hù)成本高等狀況，海上風(fēng)電滑環(huán)系統(tǒng)趨向選擇澆鑄式滑環(huán)結(jié)構(gòu)配耐磨性碳刷。

[1] 吳銀龍等.淺談繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)集電環(huán)與電刷的選取.防爆電機(jī),2006-4(41).

[2] 馬宏忠等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)三維溫度場(chǎng)分析與計(jì)算.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013.33(30).