上海電氣2MW風(fēng)機(jī)碳刷異常磨損的研究

賀東，瞿安

（1.國(guó)華（錫林郭勒）新能源有限公司，內(nèi)蒙古 026000; 2.中國(guó)華電集團(tuán)有限公司甘肅公司，蘭州 730300）

0 前言

上海電氣早期2MW風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)型號(hào)為YFSSYG500-4、功率：2100kW、轉(zhuǎn)子電流：～534A；集電環(huán)為溫州龍電產(chǎn)；碳刷為摩根MG1147碳刷。該風(fēng)機(jī)已運(yùn)行10年之久，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)碳刷一般使用不到一年就需要更換，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于行業(yè)其它風(fēng)機(jī)碳刷壽命，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。尋找到碳刷異常磨損的原因并采取有效措施是投運(yùn)的老風(fēng)場(chǎng)十分有必要的工作。

1 碳刷異常磨損的主要因素[1]

1.1 換向器或集電環(huán)表面狀態(tài)的影響

換向器或集電環(huán)的表面狀態(tài)對(duì)電刷磨損率的影響很大。換向器或集電環(huán)的表面光潔度,關(guān)系到摩擦系數(shù)的大??；其次,在換向器或集電環(huán)的表面上有一層良好的氧化膜,造成邊界摩擦條件,對(duì)降低摩擦系數(shù),減少磨損很有好處.如果氧化膜遭到破壞,電刷的磨損將迅速增加。

1.2 彈簧壓力對(duì)電刷磨損的影響

每一種型號(hào)的電刷都有其允許的彈簧壓力。彈簧壓力,主要作用達(dá)到電刷與換向器或集電環(huán)的良好接觸，實(shí)際表現(xiàn),彈簧壓力大不好,小也不好。彈簧壓力小了,電刷與換向器或集電環(huán)的接觸不良,這樣可以降低摩擦系數(shù),減少純機(jī)械性磨損，但是,卻大大增加了電氣磨損,且易造成(加大)火花;如果彈簧壓力過大,雖然電氣磨損降低,但機(jī)械磨損增加,總的結(jié)果使電刷磨損加大。

1.3 電流的影響[2]

一般情況下,通電時(shí)電刷的磨損率要比無電流時(shí)大的多。因?yàn)殡娝⑴c換向器或集電環(huán)之間是滑動(dòng)接觸,電流從面積很小的真實(shí)接觸面上通過,因而使接觸部分的溫度比電刷的平均溫度要高很多,造成多孔的碳石墨刷體升溫而氧化,使連接變?nèi)?導(dǎo)致接觸表面部分的碳石墨剝落到換向器或集電環(huán)上,因此使電刷的磨損加大。

1.4 偏心的影響[3]

換向器或集電環(huán)的偏心(或振擺)對(duì)電刷的磨損的影響是偏心愈大,磨損愈大。特別是金屬電刷,其磨損受偏心的影響更大,當(dāng)偏心達(dá)到5/100mm以上時(shí),電刷磨損急劇變大。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制換向器或集電環(huán)的偏心，保證較低的偏心率是非常必要的,否則,將會(huì)導(dǎo)致電刷摩擦表面火花加大,從而加大集電環(huán)表面電蝕現(xiàn)象?；h(huán)的侵蝕越多,侵蝕的現(xiàn)象就越嚴(yán)重,進(jìn)而,運(yùn)行中的電刷破損的可能性就越大。

1.5 濕度的影響和粉塵磨損[4]

很多研究證明,石墨的潤(rùn)滑性能受濕氣的影響很大。如果在真空中,石墨將失去潤(rùn)滑作用,同時(shí)磨損加大.當(dāng)空氣中水分很低時(shí),將發(fā)生粉塵磨損(又稱磨料磨損)。這是因?yàn)榭諝庵袧穸群艿蜁r(shí),氧化膜失去潤(rùn)滑作用,電刷與換向器或集電環(huán)之間的接觸面,在摩擦過程中迅速從基體上剝落下來的一些粉粒,破壞了邊界潤(rùn)滑條件,變成了磨料磨損(即粉塵磨損)。當(dāng)空氣中濕度低于0.3g/ m3時(shí),通常會(huì)引起這種粉塵磨損過程。除了濕度低以外,其他有害氣體和粉塵對(duì)電刷磨損也有影響。

2 上海電氣2MW風(fēng)機(jī)碳刷異常磨損理論分析[5]

鑒于該批次風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍存在碳刷異常磨損情況，現(xiàn)場(chǎng)通過勘察集電環(huán)、刷架等情況，排除產(chǎn)品質(zhì)量問題，依據(jù)影響碳刷壽命的相關(guān)因素，現(xiàn)場(chǎng)把問題鎖定電流對(duì)碳刷壽命的影響上?，F(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)碳刷運(yùn)行電流密度對(duì)碳刷運(yùn)行時(shí)的溫度影響較大，進(jìn)而影響其使用壽命。 風(fēng)電場(chǎng)使用摩根MG1147碳刷，查詢?cè)撔吞?hào)碳刷資料，其長(zhǎng)期運(yùn)行電流密度范圍為12-18A/cm2, 而其最佳運(yùn)行電密則為13-15A/cm2左右 ，查詢風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)銘牌，其轉(zhuǎn)子額定電流534A，按照原設(shè)計(jì)每相4只碳刷配置，則單只電刷的運(yùn)行電密為 534A/4/(2cmx4cm)=16.7A/cm2,接近電流密度運(yùn)行范圍的上限。通過理論分析，如果風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力資源較好，長(zhǎng)時(shí)間滿發(fā)，碳刷長(zhǎng)時(shí)間在該工況下運(yùn)行，則碳刷壽命會(huì)相對(duì)較短（大概一年左右）。

如改為每相配置5只，則電密為13.4A/cm2， 處于碳刷最佳運(yùn)行電密范圍， 應(yīng)能使電刷運(yùn)行時(shí)的溫度更合理，不因過熱或過冷導(dǎo)致壽命降低。通過摩根碳刷廠家官方預(yù)測(cè)，碳刷使用壽命可提升至18個(gè)月以上。

3 上海電氣2MW風(fēng)機(jī)單項(xiàng)碳刷數(shù)量由原來4支變更為5支試驗(yàn)比對(duì)

為了驗(yàn)證碳刷數(shù)量由原來4支變更為5支后，能有效提升碳刷壽命，需要開展相關(guān)試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)佐證理論的可靠性。

從該風(fēng)電場(chǎng)選取一臺(tái)風(fēng)機(jī)將刷架更換為可插入5支碳刷的刷架，具體圖1，從圖中可以看出，刷架每項(xiàng)最多可以安裝6支碳刷，為了驗(yàn)證效果本次只需要安裝5支碳刷；

圖1 5支碳刷的刷架Fig.1 Five carbon brush holders

從該風(fēng)電任意選定1臺(tái)風(fēng)機(jī)，不改變?cè)O(shè)計(jì)，仍然只安裝4支碳刷，只是和如上樣機(jī)同期更換相同品牌的碳刷。

3.1 改造預(yù)計(jì)效果

1）碳刷運(yùn)行溫度較現(xiàn)有方案下降，改善集電環(huán)刷架等絕緣部件的老化壽命 。

2）有效降低碳刷磨損速度、延長(zhǎng)碳刷壽命（預(yù)期18個(gè)月以上)。

3）有效減少單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的碳粉數(shù)量，減少對(duì)集電環(huán)、刷架的污染，減少爬電、擊穿的概率。

4）因碳粉的減少，潛在可以延長(zhǎng)碳粉清理周期或是減少單次碳粉清理的難度和工作量 。

3.2 半年后改造效果對(duì)比

2020年1月上旬對(duì)6#風(fēng)機(jī)進(jìn)行了集電環(huán)系統(tǒng)改造并穩(wěn)定運(yùn)行至今,同期將該風(fēng)電場(chǎng)16#風(fēng)機(jī)碳刷進(jìn)行換新，2020年05月11日對(duì)該風(fēng)機(jī)集電環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)檢查,具體報(bào)告如下：

改造的風(fēng)機(jī)電刷底部鏡面比較均勻,表面光滑,無打火或拉槽現(xiàn)象，電刷表面刷辨無破損,鉚釘顏色正常無高溫變色現(xiàn)象 ，如圖2。

圖2 改造的風(fēng)機(jī)電刷底部Fig.2 Modified fan brush bottom

表1 刀具物理、力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cutting tools

以上是試運(yùn)行4個(gè)月數(shù)據(jù)對(duì)比,通過數(shù)據(jù)可以看出，更換為單項(xiàng)5支碳刷的風(fēng)機(jī)其碳刷磨耗較小,耐磨性能更優(yōu),電刷使用壽命可以提升10%左右。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)除轉(zhuǎn)子碳刷數(shù)量不一樣之外，其它工況均一樣，可以看出碳刷數(shù)量會(huì)影響碳刷電流密度，電流密度的大小會(huì)直接影響碳刷壽命，合理的碳刷配置數(shù)量是提升碳刷壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素。通過該試驗(yàn)基本可以肯定，上海電氣2MW風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子碳刷配置單項(xiàng)5支的方案要優(yōu)于4支的方案，后期投運(yùn)的風(fēng)機(jī)可參考。

4 結(jié)語

上海電氣2MW風(fēng)機(jī)集電環(huán)碳刷數(shù)量少（原設(shè)計(jì)每項(xiàng)4支）是造成風(fēng)機(jī)碳刷異常磨損的主要原因之一，為了降低碳刷磨損率，提升機(jī)組可靠性，可將碳刷每項(xiàng)改為5支，以此來保證碳刷工作在最優(yōu)工作模式并以此來提升碳刷使用壽命，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行。