風(fēng)力發(fā)電機組變槳滑環(huán)常見故障機理與研究

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 楊家興 齊春祥 王志勇

1 引言

為推動我國無故障風(fēng)電場建設(shè)，結(jié)合現(xiàn)場頻發(fā)性故障編寫風(fēng)電設(shè)備典型故障案例，為風(fēng)電場運維管理提供有力參考價值。變槳系統(tǒng)是風(fēng)電機組的重要組成部分，可以通過控制槳距角控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而達到恒定輸出功率的目的。變槳滑環(huán)主要起到機艙控制與變槳控制之間傳輸動力電源、安全鏈控制信號以及變槳數(shù)據(jù)通信的作用[1-2]。以遼寧某風(fēng)場為例，根據(jù)初步統(tǒng)計，在投產(chǎn)超過10年的老舊風(fēng)電機組中，因變槳滑環(huán)故障引起的故障停機占比超過全年故障的50%左右，可見變槳滑環(huán)的平穩(wěn)運行對機組起到重要作用。若滑環(huán)出現(xiàn)問題，將直接導(dǎo)致安全鏈斷開，造成機組急?；貥?，對機組安全運行產(chǎn)生不可預(yù)估的危害。

2 變槳滑環(huán)結(jié)構(gòu)及工作原理

變槳滑環(huán)主要用于風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間的電氣連接，是向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的設(shè)備持續(xù)提供電源和信號傳輸?shù)年P(guān)鍵部位，滑環(huán)主要由滑環(huán)主體（包括滑環(huán)體、電刷、精密軸承組成）、溫控系統(tǒng)、外殼、連接電纜組成，其中滑環(huán)體和電刷俗稱為摩擦副，變槳滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 變槳滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

變槳滑環(huán)設(shè)計基本上是滑環(huán)體以銅基為基材，電鍍貴金屬（金鈷、鈀金、硬銀等靶材材料），電刷以三元合金、四元合金、六元合金（金、銀、銅、鈀、鉑、銠等合金材料）為基材。其原理是滑環(huán)體和電刷旋轉(zhuǎn)接觸并保持一定的壓力，達到傳輸電壓、電流以及數(shù)據(jù)等信號[3]。其摩擦副的匹配度對于滑環(huán)壽命和性能起決定性作用。變槳滑環(huán)品牌眾多，但是其基本原理類似。

3 變槳滑環(huán)常見故障

變槳滑環(huán)主要起到機艙控制與變槳控制之間傳輸動力電源、安全鏈控制信號以及變槳數(shù)據(jù)通信的作用。如果滑環(huán)出現(xiàn)故障，主要有兩種情況，一般性故障和嚴(yán)重性故障。

3.1 一般性故障

一般性故障是指現(xiàn)場可處理性故障，故障類型有芯體內(nèi)接觸導(dǎo)通性問題、密封問題、主要附件損壞、滑環(huán)外部損傷、磨屑問題以及刷針跳動問題等。

3.2 嚴(yán)重性故障

嚴(yán)重性故障是指現(xiàn)場無法修復(fù)，滑環(huán)遭到破壞性損壞，需要返廠維修處理，故障類型有滑環(huán)內(nèi)部燒損、滑環(huán)各通道短路或斷路的問題、主軸跳動過大，芯軸偏磨、芯軸滑道鍍層磨耗過大等問題。

4 變槳滑環(huán)故障分析

4.1 滑環(huán)體與電刷導(dǎo)通問題

滑環(huán)體和電刷接觸不良會造成信號傳輸丟失，其產(chǎn)生原因多為連接器插針變形、銹蝕，或因密封性不好，致使油污覆蓋滑環(huán)體表面。風(fēng)電機組機艙與變槳之間通信連接通過滑環(huán)采用Profibus-DP 或CAN-open通信總線進行交互，安全鏈控制通過滑環(huán)滑道與葉輪轉(zhuǎn)速檢測裝置連接，故伴隨風(fēng)機故障現(xiàn)象為信號、通信通道的信號缺失，復(fù)位后正常，間斷性又出現(xiàn)故障。遇見該類故障，用萬用表檢測各路通斷、精密阻值儀檢測各通道的動態(tài)阻值，還需要拆開滑環(huán)清除油污等污染物，更換損壞部件。

4.2 主要附件損壞問題

編碼器檢測無信號如圖2所示，編碼器不規(guī)則信號抖動波形如圖3所示。

圖2 編碼器檢測無信號

圖3 編碼器不規(guī)則信號抖動波形

變槳滑環(huán)集成了電路板、編碼器、浪涌保護器、加熱器以及溫控器等電氣元件，電氣元件損壞，也會導(dǎo)致機組報故障停機。結(jié)合所報故障代碼，逐步排查分析，若出現(xiàn)以上故障，需要更換相應(yīng)零部件，再次進行測試，直至滑環(huán)指標(biāo)參數(shù)符合技術(shù)要求。

如圖2和圖3所示，編碼器故障常伴隨現(xiàn)象為編碼器跳變，轉(zhuǎn)速差偏大，復(fù)位后正常。其主要原因有滑環(huán)支撐桿不牢固，震動傳導(dǎo)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速突變。編碼器聯(lián)軸節(jié)松動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失真。編碼器本身故障干擾，采用示波器觀測編碼器波形，靜態(tài)波形出現(xiàn)不規(guī)則齒形，表示編碼器電路系統(tǒng)故障，波形正常的表示編碼器無故障，則需檢查聯(lián)軸節(jié)、支撐桿。

4.3 滑環(huán)外部損傷問題

由于機組不同滑環(huán)放置位置也有所不同，有的機組將滑環(huán)置于輪轂內(nèi)部，還有放置在機艙內(nèi)部，無論放置何處其功能均是完成機艙與變槳系統(tǒng)之間的可靠電氣連接關(guān)鍵部件。滑環(huán)外部損壞主要體現(xiàn)在殼體外部結(jié)構(gòu)損壞、電纜破損、編碼器聯(lián)軸節(jié)和航空插頭損壞、防水接頭、密封件損壞等方面。這類一般性問題的損壞，通過肉眼或儀器測量即可判斷，維修也很簡單，通過清理維修和換件，或用專業(yè)工具調(diào)整，可以恢復(fù)[4]。

4.4 磨屑問題以及刷針跳動問題

目前市面上U 形滑環(huán)主要有LTN 和穆格，V 形滑環(huán)主要有史萊福靈、基騰和中能動力等，在動力傳輸和信號傳輸方面U形滑環(huán)和V形滑環(huán)各有優(yōu)勢。通過滑環(huán)的結(jié)可以發(fā)現(xiàn)U 形滑環(huán)的導(dǎo)電環(huán)和電刷絲之間的接觸面是一個圓弧面，由于導(dǎo)電環(huán)在圓周內(nèi)的機械加工具有不一致性，隨著滑環(huán)轉(zhuǎn)動，其導(dǎo)電環(huán)與電刷絲之間的接觸面積在不斷變化。一旦有雜物入侵或者磨損的殘屑落到導(dǎo)電環(huán)的U 形槽中，勢必引起接觸面積發(fā)生變化，接觸電阻也隨之變化，增加電噪聲，產(chǎn)生電磁干擾，尤其在傳輸信號等微電流時影響更加明顯[5]。

V 形滑環(huán)相對U 形滑環(huán)在信號傳輸方面更加優(yōu)秀，采用單針結(jié)構(gòu)，刷針V 型槽口里，刷針與環(huán)道之間有2個接觸點，受震動影響小，信號傳輸穩(wěn)定，刷針必須保持較大的接觸壓力以保證通流的穩(wěn)定性，必須采用潤滑劑以保證刷針與滑道之間的順暢滑動。V 形滑環(huán)同樣存在不足，由于滑劑本身的黏性，又將磨屑粘連在一起，造成信號的誤傳遞。所以單刷針的滑環(huán)必須經(jīng)常清洗，再涂潤滑劑。另外由于單刷針結(jié)構(gòu)，在震動條件下，刷針卡緊結(jié)構(gòu)松動情況下，會出現(xiàn)刷針跳動現(xiàn)象。信號通道會出現(xiàn)突然的信號中斷報警，復(fù)位后又恢復(fù)的情況，這就需要使用動態(tài)阻值檢測儀，測試滑環(huán)通道的動態(tài)阻值，可以判斷刷針與環(huán)體的接觸性能。

U形滑環(huán)與V形滑環(huán)示意圖如圖4所示。

圖4 U形滑環(huán)與V形滑環(huán)示意圖

4.5 滑環(huán)燒損問題

滑環(huán)燒損多是在滑環(huán)芯體內(nèi)部，因為在整個系統(tǒng)，滑環(huán)芯體摩擦副是最脆弱的地方，一旦有大電流、接觸故障、接地不良等情況發(fā)生，就會導(dǎo)致滑環(huán)滑道打火、點蝕、燒灼等問題。正常情況下的滑環(huán)容量可以滿足工作要求，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)電流波動的時候，主通道燒損情況特別嚴(yán)重（現(xiàn)場測試中最大持續(xù)電流可達到80A）。尤其是230V通道，通道僅采用單針通道，在逆變器電壓波動時，230V系統(tǒng)啟動時，電流的波動較大，很容易造成燒損?，F(xiàn)場應(yīng)用中，加熱器等部件燒損情況也很普遍。

滑環(huán)內(nèi)部環(huán)道、針?biāo)㈦娐钒濉恿﹄娎|、信號電纜和主軸等燒損，滑環(huán)環(huán)道嚴(yán)重?zé)龎?，材料?jīng)過高溫后，導(dǎo)電性能改變，且環(huán)道表面由黑色粉末附著，無法清除。故出現(xiàn)該故障，首先判斷滑環(huán)容量是否足夠滿足要求，必要情況下更換大容量滑環(huán)，并且查明接地是否良好，排除非滑環(huán)本體原因。

4.6 滑環(huán)各通道短路、斷路的問題

滑環(huán)經(jīng)常會出現(xiàn)各通道導(dǎo)通的問題，或者斷路的情況。運行時表現(xiàn)主通道為空開頻繁跳閘，信號通道或通信通道頻繁報錯。有的雖然沒有短路，但是在測量相間絕緣時候，僅有50MΩ，甚至更低，這種情況下滑環(huán)裝機后自檢都無法通過。排除外部原因后，這類故障多是由于滑環(huán)芯體內(nèi)部導(dǎo)通或者斷路所致，通過絕緣及耐壓測試，可以判定這一故障。一旦確定主軸內(nèi)部絕緣過低，或者通道斷路，需要更換主軸。

4.7 芯軸環(huán)道鍍層磨耗檢測

滑環(huán)的震動過大，造成環(huán)道磨耗不均，局部磨損嚴(yán)重。通道電流出現(xiàn)突變，可能會在環(huán)道上出現(xiàn)燒損疤痕，破壞環(huán)道鍍層，這種情況需要對環(huán)道進行修復(fù)或者更換主軸。

5 變槳滑環(huán)維護

滑環(huán)定期維護和機組定期維護時間應(yīng)保持同步,一般周期每年進行一次。主要內(nèi)容包括如下。

一是檢查滑環(huán)外殼等零部件是否有腐蝕現(xiàn)象。二是檢查各電纜接頭是否出現(xiàn)松動現(xiàn)象。三是拆除滑環(huán)上的支撐桿，轉(zhuǎn)動滑環(huán)定子，檢查軸承是否有異音、震動等現(xiàn)象，檢查各密封圈、密封墊是否有損壞。四是打開滑環(huán)外殼，檢查刷束和滑環(huán)是否有明顯的電蝕、機械損傷、污染物等，并清理污物。五是清洗滑環(huán)過程嚴(yán)格按照維護手冊執(zhí)行，清洗后恢復(fù)安裝，保證滑環(huán)完整性、可靠性和穩(wěn)定性。

頻繁清洗滑環(huán)會對滑環(huán)使用壽命產(chǎn)生一定影響，在定期維護對滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)道進行清洗時，嚴(yán)禁使用油基清洗劑，以防對環(huán)道和電刷產(chǎn)生腐蝕。清洗時，禁止拆卸電路板,清洗完使用熱風(fēng)槍均勻烘干，對每個導(dǎo)電環(huán)道適量噴涂潤滑油，同時完成對外部通信線及Harting接頭等部件的重點檢測和維護。

6 結(jié)語

本文通過對變槳滑環(huán)常見故障進行案例分析，找到故障發(fā)生的根本原因，并且提出處理故障方法，為保證風(fēng)機安全運行提供參考，有效降低了現(xiàn)場變槳滑環(huán)故障率，對現(xiàn)場無故障風(fēng)電場建設(shè)起到積極的推動作用。