基于風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，對機組內(nèi)部零部件的維護與故障檢測越來越重要，本文就針對風(fēng)電機組的雙饋發(fā)電機部分，本文旨在于對風(fēng)電機組發(fā)電機滑環(huán)室內(nèi)碳刷打火現(xiàn)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(chǎn)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(jù)來保護風(fēng)電機組的正常運作。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電機組雙饋電機滑環(huán)室內(nèi)滑環(huán)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(xiàn)象的發(fā)生可能由于滑環(huán)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(huán)室的離心現(xiàn)象，使得滑環(huán)室表面與碳刷表面的接觸力大小在不斷的變化，最終導(dǎo)致打火的產(chǎn)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(nèi)流經(jīng)的電流電擊穿導(dǎo)致，使得我們?nèi)庋勰軌蛴^測到打火的現(xiàn)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(xiàn)象的真正原因。

二、研究目標

本文旨在于對風(fēng)電機組電機的滑環(huán)室內(nèi)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(yīng)三種對碳刷打火的解釋，對后續(xù)我們風(fēng)電機組在正常運行時對滑環(huán)室內(nèi)碳刷的打火情況可以做出相對應(yīng)的檢測，提前及時的對碳刷進行維護或者更換處理有著關(guān)鍵的作用，也可憑此方法研制一套可用于提前預(yù)警的裝置來保護風(fēng)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(xiàn)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(huán)室在高速運動下，滑環(huán)室離心率變化導(dǎo)致的與碳刷接觸力變化，最終引起碳刷表面打火現(xiàn)象的產(chǎn)生。在探究滑環(huán)與碳刷間的打火原因時我們有以下的猜想：碳刷與滑環(huán)室打火現(xiàn)象的產(chǎn)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(huán)表面的急劇的離心率造成。倘若滑環(huán)表面的離心率急劇增大，對應(yīng)滑道與碳刷會在徑向產(chǎn)生額外的接觸力，使得滑環(huán)與碳刷直接的接觸面積不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)子側(cè)的電流特性發(fā)生改變，我們現(xiàn)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(huán)室離心率過大撞擊碳刷時，轉(zhuǎn)子電流的特征值會有明顯的變化，導(dǎo)致打火現(xiàn)象的產(chǎn)生。

為了評估打火的等級，我們需要記錄一段長期的轉(zhuǎn)子側(cè)波形，但火花在任何時期都不會經(jīng)常發(fā)生，因此我們的試驗臺運行在最大轉(zhuǎn)速下，并記錄了大量的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)：在高轉(zhuǎn)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(chǎn)生。

我們對采集到的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(xiàn)象產(chǎn)生。以此來說明滑環(huán)室離心率和碳刷打火有直接的關(guān)聯(lián)（如圖1所示）;在知曉了接觸力對碳刷打火存在關(guān)聯(lián)之后，我們查閱了相關(guān)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(jié)論（如圖2所示），

在不同的接觸力下，打火的頻率有明顯的區(qū)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(chǎn)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(fā)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(guān)。電介質(zhì)的熱導(dǎo)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(shù)。因此：

另一方面，由各相電極注入電介質(zhì)（碳刷）的電流產(chǎn)生焦耳熱，由于K降低，這些熱量不能順利地排出電介質(zhì)，溫度繼續(xù)升高，K變的更低，這一正反饋過程導(dǎo)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(xiàn)象：

對于電擊穿機理，另一方面，當電介質(zhì)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(fā)現(xiàn)擊穿可在數(shù)量級為 ～ 秒時間內(nèi)發(fā)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(fā)生的擊穿稱為電擊穿。

我們這次也設(shè)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(chuàng)造碳刷打火的現(xiàn)象，將電機運行在滿轉(zhuǎn)速的情況下，對電機施加功率到1750kW，以此來創(chuàng)造大電流的擊穿環(huán)境，同時我們用dewetron-800儀器來檢測轉(zhuǎn)子側(cè)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(yīng)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(xiàn)象，我們可以理解成電荷發(fā)生了擊穿，導(dǎo)致尖端放電，電流才出現(xiàn)了突變的現(xiàn)象，使得我們觀察到打火的產(chǎn)生。

四、研究總結(jié)

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(dǎo)致碳刷表面出現(xiàn)打火的現(xiàn)象，碳刷接觸力比較測試結(jié)論：1、多孔的碳刷在高轉(zhuǎn)速與大電流下有較好的表現(xiàn);2、提高碳刷表面的壓力能夠有效的增大碳刷與集電環(huán)的穩(wěn)定性，減少打火的發(fā)生;第二種機理說明熱擊穿也是導(dǎo)致碳刷發(fā)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(fā)，且機組正常運行時不太容易觸發(fā)電擊穿。相較之下，接觸力需要高轉(zhuǎn)速作為支撐，在高轉(zhuǎn)速下才會使得電機轉(zhuǎn)子處滑環(huán)室出現(xiàn)較大的離心率，這個機理更為貼合我們當下風(fēng)機的運行狀況下可能的觸發(fā)條件，后續(xù)我們會針對這一情況做出相對應(yīng)的風(fēng)電機組打火預(yù)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(tài)電介質(zhì)擊穿機理研究的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].上海鐵道學(xué)院學(xué)報，1991（9）：93-104

作者簡介

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