关于风力发电机滑环打火故障分析

关于风力发电机滑环打火故障分析

常青龙  ,冯云

中车永济电机有限公司  山西永济  044502

【摘要】据统计，风力发电机滑环打火故障占风力发电机转子故障的20%左右，而可能造成滑环打火的原因复杂多样，难以处理。本文主要以东气四川鲁北风场滑环多次打火故障的分析，阐述了滑环打火的解决方案。

【关键词】风电；集电环；打火故障

在风力发电机运行过程中，缘于碳刷材质的特殊性，碳刷会因为磨损衍生出碳粉，这些碳粉会不同程度地堆积在集电环表面，特别是在湿热环境中，可能会影响电机的正常运行；对于电机运行环境不好的情况，可能还会有一些外界的粉尘异物污染集电环，同样会造成环体打火问题。

1 概述

2020年，某风场反馈现场台机组自2017年投运以来已发生5起集电环打火故障，存在安全隐患，接到通知后我司立刻派遣服务人员到风场进行排查。

2 现场调查

现场登塔对1#机组与2#机组发电机滑环室进行排查，具体如下：

2.1 1#机组情况

1）打开集电环室盖板，见集电环L相环面有打火痕迹和明显沟痕，表面不平整有高点，刷盒表面因现场环境潮湿锈蚀，存在打火隐患。  

2）对1#机组进行更换集电环、恒压簧、刷盒，更换后，各相间、对地绝缘电阻均＞500MΩ，跳动量在0.03mm以内。 

3）清理集电环室、刷辫、刷盒内碳粉，更换防水型碳刷，现场碳粉收集海绵前期已经拆除，风路畅通。

4）在刷盒底部，贴上测温纸，对碳刷温度进行监控。

5）对此次更换下来的碳刷进行尺寸检测，碳刷暂未发现开裂、鼓涨等情况，尺寸合格。

6）对此次更换下来的压簧进行检测，压力值在1500-1700之间，满足使用需求，未见明显不良。

2.2 2#机组情况

2#号风机为2019年11月份更换集电环、刷盒、压指、碳刷，运行至今未出现打火，暂运行稳定，上风机检查集电环实际运行状态。

1）集电环室内存在碳粉堆积现象，未及时清理碳粉，现场对集电环室进行清理，恢复集电环室清洁。

2）检测压簧压力值，均在1600-1750之间，压力值合格。

3）连接发电机转子，检测集电环对地绝缘正常，大于500MΩ。

4）目视集电环环面，氧化膜形成，环面无高点。

5）检查电刷尺寸合格，弧面光洁度略差，无鼓胀、开裂。

6）考虑到此台风机碳刷底面光洁度略差，且四川地区潮湿度大，使用测温纸进行温度检测，并在检测后对其更换成防水型碳刷。

2.3 现场监控温度数据

经现场运行三天后，对两台风机对其进行温度采集，最高温度在99℃（两台发电机，旧碳刷和新型防水碳刷温度基本一致）。因最近无长时间大风，效果不明显，后期运行时持续关注测温帖的温度变化情况。

3 故障原因分析

1）前期2台发电机滑环共出现5次打火，18年首次出现打火的原因均为集电环室碳粉堵塞，通风不良，造成集电环室温度长期高温运行，电刷卡塞，造成集电环打火。

2）前期打火后，只对集电环表面进行简单打磨抛光，并未更换全部碳刷，压簧（只更换了打火相的碳刷），防尘海绵也未全部拆除，预留两层，致使集电环环面存在高点，且碳刷已经存在卡塞隐患，机组继续带病运行，导致运行一段时间后出现二次打火的现象发生。1号风机，18年排查的时候，已经出现了碳刷卡塞，当时因现场无碳刷备件，未更换，简单打磨了下碳刷，导致运行至2018年12月1号机组出现打火。

3）现场环境长年潮湿，现场加热器设置开启温度为5℃，10℃停止。不能对集电环室起到除湿防潮的作用，在潮湿环境中，碳刷刷辨不断被氧化，引起阻值升高，电刷分流不均，导致碳刷运行温度升高，也是导致后期集电环打火的一个诱因。

4）关于集电环参数与电流密度问题。考虑到前期打磨可能导致的滑环圆度不足，此次更换了新的集电环，型号与原集电环相同，为S320P-G4，该集电环参数：额定电压2000V，额定电流850A，相间爬电距离≥70mm，电气间隙≥45mm，爬电距离≥70mm，滑环直径320mm，额定转速1200r/min，表面粗糙度Ra=0.8-1.6，可以满足使用要求。此型号发电机上共使用相碳刷18个，每相6个，相碳刷的规格为40*20*100，根据转子电流与接触面积计算，可得如下数据：

电流密度的选择取12-18A/cm2较为合适，最大可到20A/cm2，因此发电机的滑环与碳刷选择符合要求。

4 结论及总结

通过此次排查，发电机多次打火的原因如下：

1）滑环室碳粉堆积，此次排查中两台电机均存在不同程度的碳粉堆积情况，个别部位碳粉已经硬化，现场使用锉刀才能清理下来；

2）前期故障更换碳刷时未全部更换，个别有隐患的碳刷持续运行造成二次故障；

3）前期打磨滑环的效果不佳，表面仍存在细微高点，长时间运行故障复现；

4）相比2MW电机，2.3MW发电机的转子电流更大，相应的发热量多，滑环室温度也相对较高，当发电机长时间满功率运行时，碳刷、刷盒因受热膨胀，配合间隙减小，此时碳刷磨损速度较快，若碳粉清理不及时容易造成卡刷情况。

5 建议处置方案

1）依据用户手册，定期对集电环室进行碳粉清理，清理时注意将滑环、刷架、刷盒、刷辫、压指、出风口的碳粉都进行清理。

2）加热器开启条件变更，改为滑环室内温度低于滑环室外环境温度值超过5℃时，加热器开始工作，高于环境温度5℃时停止，才能保证集电环室内保持相对干燥的工作环境。

3）拆除除尘箱内的隔板至一层，增大通风散热。

4）为保证机组运行，5#机组拆除的滑环专业修复后再返回现场作为备件使用。

5）增加滑环室散热风扇，加强集电环室通风，在长时间满发时可及时将多余的碳粉排出，同时降低滑环室温度，使碳刷长期保持在良好的运行工况，减少因高温卡刷导致的打火故障发生。

6 结束语

通过改进后风场再未出现滑环打火故障，说明原因查找明确，方案制定合理，后续再其它现场故障时可以此作为参考，提高维修效率，降低机组停机，保证发电量。

参考文献

[1]陈世坤主编．电机学[M].中国电力出版社，2004：144-197；

[2]沈标正.电机故障诊断技术[M].北京：机械工业出社，2001.

[3]李大伟.浅谈风力发电机的维修与保养[J].民营科技.2018（03）：71；