風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸防雷碳刷及其滑道的研究

劉怡思，李凱

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京100086；2.華銳風(fēng)電科技集團(tuán)股份有限公司，北京100872；3.國網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西運(yùn)城044000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸防雷碳刷及其滑道的研究

劉怡思1,2，李凱1,3

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京100086；2.華銳風(fēng)電科技集團(tuán)股份有限公司，北京100872；3.國網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西運(yùn)城044000）

介紹了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸防雷碳刷及其滑道在防雷系統(tǒng)中的作用，并通過使用不銹鋼防雷滑道，解決現(xiàn)存的滑道銹蝕等普遍問題。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；雷電；碳刷；軌道；雷電泄放系統(tǒng)

0 引言

主軸防雷碳刷是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組外部防雷系統(tǒng)中的重要部分。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在葉片接閃后，通常通過碳刷將葉輪內(nèi)的雷電引入機(jī)組雷電泄放系統(tǒng)，從而將雷電泄放入大地。其中，碳刷的位置是固定的，并且在主軸的固定接觸面上摩擦。若想將高頻的雷電通過碳刷傳導(dǎo)出去，碳刷與其接觸面間良好的接觸和導(dǎo)電性是必須的。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，該接觸面常因環(huán)境影響而出現(xiàn)銹蝕，導(dǎo)致其與碳刷間導(dǎo)電性很差。此時葉片接閃后將無法通過碳刷傳導(dǎo)，而只能通過主軸傳導(dǎo)至主機(jī)架，然后才能進(jìn)入雷電泄放系統(tǒng)。這種雷電傳導(dǎo)方式，將有可能導(dǎo)致主軸軸承的電腐蝕，從而造成主軸軸承的損壞。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的外部防雷系統(tǒng)

并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在逐漸向大型化發(fā)展，容量已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級別，輪轂高度也增至70～80m，有的甚至高達(dá)百米以上[1]。為防止雷電對風(fēng)電機(jī)組造成損害，每臺風(fēng)電機(jī)組都設(shè)計(jì)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保護(hù)系統(tǒng)。按照防雷保護(hù)分區(qū)的概念，一般外部防雷保護(hù)系統(tǒng)包括接閃器和雷電泄放系統(tǒng)。

1.1 接閃器

雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)的落雷點(diǎn)一般是在風(fēng)機(jī)的槳葉上，因此接閃器應(yīng)預(yù)先布置在槳葉的預(yù)計(jì)雷擊點(diǎn)處以接閃雷擊電流。為了以可控的方式傳導(dǎo)雷電流入地，槳葉上的接閃器通過金屬連接帶連接到中間部位，金屬連接帶可采用30mm×3.5mm鍍鋅扁鋼。對于機(jī)艙內(nèi)的滾珠軸承，應(yīng)將其兩端通過碳刷或者放電間隙橋接起來。

對于位于機(jī)艙頂部的設(shè)施（例如風(fēng)速計(jì)）的防雷保護(hù)，采用避雷針的方式安裝在機(jī)艙頂部，保護(hù)該設(shè)備不受直接雷擊[2]。

1.2 雷電泄放系統(tǒng)

雷電泄放系統(tǒng)包括引下線和接地系統(tǒng)。

如果是金屬塔，可以直接將塔架作為引下線來使用；如果是混凝土塔身，那么采用內(nèi)置引下線。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地由塔基的基礎(chǔ)接地極提供，塔基的基礎(chǔ)接地網(wǎng)應(yīng)與周圍的操作室的基礎(chǔ)接地極相連構(gòu)成網(wǎng)狀接地體，這樣就形成了一個等電位連接區(qū)，當(dāng)雷擊發(fā)生時就可以消除不同點(diǎn)的電位差。并且要保證接地系統(tǒng)的接地電阻達(dá)到防雷規(guī)范要求。

2 防雷碳刷的作用和現(xiàn)存問題

在一般情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊時，如果有效接閃，則雷電會打到葉片的接閃器上，然后葉輪中的雷電通過雷電泄放系統(tǒng)泄放到大地。在雷電荷轉(zhuǎn)移的過程中會形成雷電流，而雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)。若雷電流過軸承，就非常容易在軸承接觸面上產(chǎn)生電弧，有可能將軸承熔焊在一起，即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點(diǎn)也會加速其磨損，降低使用壽命。

現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為削弱并解決雷擊對主軸承的影響，在主軸外和主機(jī)架之間安裝有幾組防雷碳刷，通過碳刷與轉(zhuǎn)動的主軸摩擦，將葉片接閃的雷電流通過碳刷直接引入雷電泄放回路，進(jìn)而避免了雷電流流過主軸軸承。

在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，為實(shí)現(xiàn)電流通路，主軸碳刷接觸面是沒有被絕緣漆保護(hù)的，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境一般比較惡劣，尤其是沿海等海洋大氣的環(huán)境下，該接觸面極容易出現(xiàn)生銹、腐蝕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象增加了主軸與碳刷間的電阻，甚至使設(shè)計(jì)的最初目的喪失。

由于接觸面銹蝕，碳刷無法起到作用，雷電流將有可能流過主軸承。雖然軸承的尺寸較大，雷擊損傷可能還不至于立刻對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行造成影響，但軸承上出現(xiàn)的灼蝕點(diǎn)，將會引起噪聲、振動和機(jī)械摩擦增大等問題，甚至縮短軸承的使用壽命，這是威脅風(fēng)電機(jī)組軸承安全的一個潛在因素。

3 通過固定滑道避免接觸面的銹蝕

碳刷的接觸面需要具備以下條件：導(dǎo)電性良好、防腐蝕銹蝕、抗磨損?，F(xiàn)在一般工藝都是在接觸面上鍍一層導(dǎo)電涂料，但是實(shí)際運(yùn)用中，碳刷和主軸接觸面不斷摩擦，導(dǎo)電漆會被磨損脫落，無法穩(wěn)定地長期運(yùn)行。

綜上所述，可以在接觸面上為碳刷加裝一個滑道來解決問題。滑道可選用優(yōu)質(zhì)的不銹鋼片，用螺栓固定在主軸接觸面上，并用絕緣漆將滑道邊緣和螺栓覆蓋密封，防止潮濕氣體從軌道邊緣縫隙進(jìn)入而銹蝕接觸面。

這種方案既具備了上述所有的要求，同時成本很低，安裝操作簡易。

資料顯示，在海洋大氣區(qū)含鉻大于17%的不銹鋼基本不腐蝕，含鉻大于17%的不銹鋼腐蝕較輕,耐蝕性沒有明顯的差別。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境多變，為適應(yīng)各種情況，我們可以選擇鋼材型號為316（也稱“船用鋼”）的不銹鋼帶。

316不銹鋼，型號18Cr-12Ni-2.5Mo，因添加Mo，故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強(qiáng)度特別好，可在苛酷的條件下使用，耐海洋和侵蝕性工業(yè)大氣的侵蝕。

在不銹鋼帶兩側(cè)邊緣各沖壓出一排螺栓孔，螺栓孔可為長的橢圓型，便于裝配。然后用螺栓穿過將不銹鋼帶固定在主軸上，螺栓孔的數(shù)量以保證鋼材能夠緊貼在主軸上為宜。

在主軸碳刷接觸面上為軌道預(yù)留螺紋孔。用螺栓將鋼帶緊貼著接觸面固定在主軸上。安裝位置如圖3所示。

圖3 鋼帶安裝位置示意圖

4 結(jié)束語

固定不銹鋼滑道后，可以很好地解決主軸與碳刷接觸面由于生銹而引起的接觸不良，雷電流可以更好地通過碳刷進(jìn)入雷電泄放回路，避免了主軸承在雷擊中受到損傷，提高了風(fēng)電機(jī)組的抗雷擊性能。

［1］耿華，楊耕，崔揚(yáng)，等.并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.東方電力評論，2006（2）：1-7.

［2］黃金鵬.大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的雷擊分析與防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.風(fēng)能，2012（5）：80-83.

Research on Anti-lightning Carbon Brush and Slideway for W ind Turbine

LIU Yi-si1,2，LIKai1,3
（1.Electrical and Electronic Engineering College，North China Electric Power University，Beijing 100086，China;2.Sinovel Technology group Co.，L td.，Beijing 100872，China；3.State Grid Yuncheng Power Supply Com pany of SEPC，Yuncheng，Shanxi 044000，China）

This article introduces the function of carbon brush and its slideway in lightning protection system of largewind turbine，and itelaborates that theapplication ofstainlessslideway can solve theexisting common problemssuch asslide rust.

wind turbine；lightning；carbon brush；slide；lightningprotection system

TM315

A

1671-0320（2014）04-0026-02

2014-03-10，

2014-05-21

劉怡思（1985-），男，黑龍江伊春人，2007年畢業(yè)于北京化工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，2012級華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院工程碩士，工程師，從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣研發(fā)及優(yōu)化升級工作;

李凱（1984-），男，山西運(yùn)城人，2012級華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院工程碩士，助理工程師，從事高壓電氣試驗(yàn)工作。