風(fēng)力發(fā)電機(jī)集電環(huán)故障率高的原因分析及措施

李鵬，姚俊冰，畢曉穎

(內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司，呼和浩特 010020)

表1 集電環(huán)故障原因及解決措施

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。中國是一個(gè)發(fā)展中國家，發(fā)展經(jīng)濟(jì)仍然是未來的主要戰(zhàn)略任務(wù)，但是如何為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可持續(xù)的能源保障，將是中國未來發(fā)展中面臨的巨大挑戰(zhàn)。風(fēng)電是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗唬哂匈Y源豐富、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好、經(jīng)濟(jì)競爭力較強(qiáng)、環(huán)境影響微小等優(yōu)勢，是最有可能在未來支撐中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源之一。但風(fēng)電的效益卻是一個(gè)有待解決的問題，若要提升效益，前提是要降低成本，尤其是降低維護(hù)成本，這就要從經(jīng)常更換的大件著手。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)集電環(huán)故障率偏高的原因分析

1.1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

某風(fēng)電場2010年1—12月的發(fā)電機(jī)集電環(huán)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：共有48臺次故障，因碳粉堆積而導(dǎo)致集電環(huán)損壞的故障共有38臺次，集電環(huán)月均故障為3.17次。

根據(jù)抽樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場抽樣分析，集電環(huán)故障原因及故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

(1)由分析結(jié)果可知，如果把風(fēng)機(jī)故障中“碳粉短路”的問題解決，則可將集電環(huán)故障率由2010年的70%降低至70%×(1-79.17%)=14.58%。

(2)只要采取一種有效的措施防止碳粉短路，就能有效降低集電環(huán)故障率。由于風(fēng)電場風(fēng)機(jī)過多，計(jì)劃將風(fēng)電機(jī)分批進(jìn)行處理。

1.2 碳粉短路原因分析

集電環(huán)安裝示意圖如圖1所示。

集電環(huán)系統(tǒng)位于發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承和編碼器之間的集電環(huán)室內(nèi)，集電環(huán)和編碼器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的油霧，集電環(huán)室內(nèi)空間相對比較密閉，油霧對電刷磨損產(chǎn)生的碳粉的吸附作用較大，極易產(chǎn)生油性碳粉污垢。有試驗(yàn)表明：在疏松干燥的狀態(tài)下，石墨碳粉的絕緣電阻可達(dá)到100 MΩ以上，但是在油霧作用下絕緣電阻迅速減小為0。由此可見，油性碳粉污垢是造成集電環(huán)室內(nèi)各絕緣件絕緣性能下降的主要原因之一。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，若油性碳粉較多，則易造成缺陷甚至導(dǎo)致事故，需要停機(jī)處理或帶電清掃，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

圖1 集電環(huán)安裝示意圖

碳粉短路關(guān)聯(lián)圖分析如圖2所示。由圖2可以看出，碳粉短路末端因素包括：碳刷卡澀、刷握安裝時(shí)中心偏離、碳粉不能及時(shí)清理、壓刷彈簧壓力不均、集電環(huán)凹凸不平、碳刷批次不一等?，F(xiàn)場驗(yàn)證得出的結(jié)論是：發(fā)生碳粉短路的主要原因是碳粉不能及時(shí)清理。如果風(fēng)電機(jī)集電環(huán)室得不到定期清理，碳粉積在集電環(huán)室內(nèi)，會影響集電環(huán)的絕緣。因此，有必要在集電環(huán)安裝碳粉收集系統(tǒng)，保證集電環(huán)室內(nèi)清潔，無碳粉堆積。

圖2 碳粉短路關(guān)聯(lián)圖

2 解決方案

為保證每小時(shí)清理碳粉1次且無殘留，在集電環(huán)室內(nèi)加裝碳粉清掃裝置及強(qiáng)制排碳粉系統(tǒng)。安裝2送1吸的軸流風(fēng)機(jī)來排出碳粉(如圖3所示)：在集電環(huán)兩側(cè)蓋板上各加裝1臺送風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)，對碳刷進(jìn)行吹掃；在下部蓋板處加裝1臺吸風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)，使集電環(huán)內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的排粉風(fēng)道，從而減少碳粉堆積。碳粉排出系統(tǒng)采用微電腦時(shí)控開關(guān)控制，避免了排粉風(fēng)扇長時(shí)間工作。

圖3 吹掃碳粉流程圖

定期對試驗(yàn)風(fēng)電機(jī)集電環(huán)處碳粉堆積情況進(jìn)行巡視檢查，沒有碳粉殘留，未出現(xiàn)碳粉堆積短路情況，故障率從2010年的3.17次/月降為0次/月，試驗(yàn)風(fēng)電機(jī)集電環(huán)的月故障臺次為0。

3 效益分析

試驗(yàn)樣機(jī)改造前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2，改造后38臺試驗(yàn)樣機(jī)取得的經(jīng)濟(jì)效益見表3(按電費(fèi)0.50 元/(kW·h)計(jì))。

表2 試驗(yàn)前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

續(xù)表

表3 可計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益

碳粉及時(shí)清除后可以減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的碳粉堆積，降低了集電環(huán)的故障率，提高了風(fēng)電機(jī)的可利用率，減少了人工檢修次數(shù)，降低了企業(yè)成本，同時(shí)又有利于環(huán)保節(jié)能；更重要的是，若該風(fēng)電場262臺風(fēng)電機(jī)全部進(jìn)行此技術(shù)改造，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是顯而易見的。

4 推廣及應(yīng)用

試驗(yàn)結(jié)束后對38臺試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行跟蹤檢查，未發(fā)現(xiàn)碳粉殘留，改進(jìn)后的38臺試驗(yàn)樣機(jī)的可利用率明顯提高，發(fā)電機(jī)集電環(huán)的使用壽命顯著增加，已向風(fēng)電場建議全面推廣安裝集電環(huán)碳粉吹掃系統(tǒng)。

此外，考慮到碳粉吹掃系統(tǒng)在無風(fēng)天氣情況下運(yùn)行造成的電能浪費(fèi)問題，可將碳粉吹掃系統(tǒng)的控制由可編程邏輯控制器(PLC)來完成。當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，則按照一定的頻度啟動(dòng)或停止碳粉吹掃系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)時(shí)，停止碳粉吹掃系統(tǒng)工作直至發(fā)電機(jī)重新并網(wǎng)發(fā)電。

5 結(jié)束語

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)集電環(huán)室內(nèi)加裝排碳粉裝置，可以將碳粉及時(shí)排出，避免了因碳粉堆積而發(fā)生碳粉短路，從而降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)集電環(huán)故障率。通過技術(shù)改造，不但降低了風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)維護(hù)成本，同時(shí)也取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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