双馈风力发电机电刷滑环故障分析.docx

水利水电工程第5卷 第 18期 2015 年 6 月双馈风力发电机电刷滑环故障分析王 辉国电电力宁夏新能源开发有限公司 宁夏 750002摘 要： 双馈风力发电机的滑环、电刷是发电机运行过程中极易出现问题的组成部分，进行维护的时候需要注意一下几方面问题：（1）加 强巡回检查力度，透过防尘罩窥视窗查看有无串火现象；（2）采用红外线测温仪进行电刷表面、集电环表面和铜辫的测温，存在异常电刷需及时 处理、更换；（3）定期维护电刷、滑环；（4）高湿条件下会发生电化学作用，可能腐蚀石墨氧化膜，因此发电机停机较长的时间时，最好将电 刷取走，防止生成电解蚀痕。关键词：双馈风力发电机；电刷滑环；故障处理中图分类号： tp206文献标识码：a引言 :双馈风力发电机目前已是网型风力发电机主流机型之一。 滑环、电刷是发电机运行过程中极易出现问题的组成部分，极 小的问题都会引发较大的事故。通过分析滑环振动造成的电刷 冲击及危害，并介绍了电刷的谐振频率对安全产生的影响，提 出预防故障的措施，减少因电刷、滑环引发的事故。一、双馈风力发电机用滑环系统风场运行状况从 2007 年以来，双馈风力发电机组在国内各风场得到了广泛装机，双馈风电机组已具备 5 年以上并网运行业绩。通过对 并网期间双馈风力发电机故障统计分析，可知滑环系统故障占 双馈风力发电机总故障 20% 以上，严重制约着双馈风力发电机 组的并网运行，滑环系统的常见故障有：滑环系统氧化膜没有 有效建立，致使碳刷磨损异常；接地环过流，引发接地碳刷与 接地环之间打火拉弧，致使接地环灼伤；滑环系统相环或接地 环之间爬电距离太短，导致相环与接地环或相环之间的爬电击 穿故障；滑环系统密封性能差，在湿度较大环境下，相环对地 绝缘电阻接近为零，引发发电机转子绕组对地放电；集电环引 出线与转子引出电缆线接头处积碳，引发集电环绝缘灼伤，导 致转子绕组对地绝缘为零；零部件恒压弹簧失效，致使三相电 流不均匀，引发某相相环磨损异常，严重时引发相环与恒压弹 簧灼伤故障；微动开关断裂，引发恒压弹簧与集电环相接触放 电拉环现象；浇铸整体式滑环系统因受热不一，引发绝缘开裂 故障；组装式滑环系统过盈量偏小，引发相环脱落故障。综上，滑环系统故障有表现为对轴电压辨识不足所引发的 接地环拉伤故障；有表现为对风场运行环境认识不足所引发的 积碳爬电、绝缘击穿等故障；有表现为设计考虑不周引发的密 封缺陷、相环脱离、绝缘开裂等故障；有表现为对碳刷选型不 充分所引发的碳刷磨损异常故障。通过上述分析，滑环系统在 设计过程中，需侧重以下三方面：一是解决不同材料热胀冷缩 下绝缘密封问题；二是降低集电环表面积碳能力；三是结构设 计中避免集电环脱落。二、滑环系统结构介绍因双馈风力发电机转速高，在滑环系统结构设计中主要采 用热套组装式集电环结构（图 1）和胶铸式集电环结构（图 2） 来保证其可靠性。热套组装式集电环结构是当前双馈风力发电 机组最常用的一种滑环系统结构，具有广泛运用业绩，该结构 在线维护性能好，然整体密封性能欠缺，存在受潮绝缘电阻偏 低缺陷。胶铸式集电环结构是在热套组装式集电环结构基础上 加胶铸处理，以提升胶铸式滑环系统的整体密封性能，该结构 能承受各种恶劣气候运行且确保其密封性能，该结构在热胀冷缩作用力下出现绝缘开裂故障概率相比热套组装式集电环结构 要突出。三、滑环振动引发电刷冲击及其危害如果滑环存在较大的振动，例如滑环不圆度、转子不平衡 振动和磁隙不均匀的电磁振动，它们激励 s 个电刷的后果均将 使电刷与滑环发生短暂分离，该分离是导致 d 相单电刷与对应 滑环发生电弧和损伤的根源，其他相 s 个电刷与对应的滑环相 继（不是同时）分离后的接触，将导致相继冲击，该冲击的特 征频谱等于转频的 s 阶冲击谱。我们假设合理设计的电刷与其 压紧弹簧组成机械二阶系统的固有共振频率 fs 远高于滑环的 转动频率 fn。设滑环由于不圆度或不平衡引起的正弦“滑环振 动”幅度 a=1mm，对电刷的强迫作用。建立图 3 的力学模型分 析滑环振动与电刷的振动相互作用，箭头所指为运动的正方向。 显然，电刷的正向位移不能小于滑环的正向位移，否则，滑环 将强迫电刷运动，但电刷可以大于滑环的正向位移，与滑环发 生分离；电刷的负向位移不能负于（绝对值大于）滑环的负向 位移，否则，滑环将阻止电刷的运动，但电刷可以正于（绝对 值小于）滑环的负向位移，与滑环发生分离。基于上述物理规第5卷 第 18期 2015 年 6 月则，建立图 4 的仿真模型。设电刷的共振频率为 fs=100hz， 谐振增益 g=10，开关 sw1sw3 的开启门限为 10n，关闭门 限为 0，目的在于取得正的振幅；开关 sw4sw6 的开启门限 为 10n，关闭门限为 0，目的在于取得负的振幅；图示状态由 sw10 切入 25hz、1mm 的正弦“滑环振动”；sw1 取出电刷 的正运动，sw2 取出滑环的正运动，用 u2 作比较：滑环的正 运动减去电刷的正运动，若为正，则通过 sw3 取出该正运动， 经过 sw7、u4、sw9 和 u6（强迫放大 100 倍），再经过 u1 加速驱动电刷运动，以便令电刷强迫向正方向运动，直至它与 滑环同步（没有滞后）作正向运动；sw4 取出电刷的负运动， sw5 取出滑环的负运动，用 u3 作比较：电刷的负运动减去滑 环的负运动，若为负，则通过 sw6 取出该负运动，经 u6 反相， 经过 sw8、u4、sw9 和 u6（强迫放大），再经过 u1 加速驱 动电刷运动，以便令电刷强迫减小负方向运动，直至它与滑环 同步（没有超前）作负向运动。考察“f100g10 电刷”振动、 在滑环正向振动有大于电刷正向振动趋势时的“环驱动刷”冲 击、在电刷负向振动有绝对值大于滑环负向绝对值振动趋势时 的“环阻挡刷”冲击以及电刷滑环之间的冲击“总冲击”从图 51 可见：由于滑环的振动为 1mm1mm 的正弦运动，共 振频率 fs=100hz、谐振增益 g=10 倍的电刷的负向运动没有小 于 1mm，因为它受到滑环的阻挡；但电刷的正运动到 1.08mm， 因为滑环不能拉住它。这就证明电刷滑环在振动时出现了分离。 如果滑环对应的电刷只有一个，则这种分离就必然导致励磁中 线电流特别是轴电流断电、拉弧、电刷滑环的烧伤。这就是双 馈发电机励磁组件的 d 相滑环发生故障的机理，这也就是必须 在滑环圆周均布 3 个及以上电刷的原理。因为多个均布于滑环 圆周的电刷与滑环的分离虽不可免，却是分时发生的，其中一 个电刷与滑环分离时，还有其他与之并联的电刷与滑环接通， 电路并没有截断，拉弧便无由发生，电刷滑环便不会因此损伤。 电刷滑环在接触时发生再冲击，既有滑环驱动电刷的冲击，也 有滑环阻挡电刷的冲击。图 52 的频谱分析证明，只有一个电刷时的这些冲击及其总冲击频谱的 1 阶频率，等于滑环的（正弦） 振动的频率 fn。显然，如果滑环圆周存在 s 个均布的电刷，则 总冲击的 1 阶频率便是 sfn。反之，若 s 个均布电刷的组件 测点出现 sfn 的冲击频谱，则说明滑环存在不圆度、故障或 转子存在不平衡振动。可以作为电刷滑环将发生故障的最早预 警信息，预示着终将引起单电刷的 d 相滑环损坏。图 6 -1 是一种具有 3 组 6 个基本均布电刷（但缺少其中一个）的双馈发电 机的引电器。果然在其测点发现了（图 62）鲜明的、电机每 转一周出现 6 簇的冲击，其频谱具有 6fn 鲜明谱线（154 号谱， fn 的谱号是 25.6），出现 3 个振动波和 3fn、6fn 的振动频谱。水利水电工程水利水电工程第5卷 第 18期 2015 年 6 月四、电刷的谐振频率对安全产生的影响二阶系统的共振频率由电刷与其压紧弹簧构成，在设计时 应将其设计成比滑环高的转速频率 fn 与该轴的最高激振源数 z 倍相乘，即 fnz，这样不仅可以有效的降低电刷振动，还 可以将电刷振动与其滑环的冲击减小。有一套经典的振动理论指出：当强迫振动的频率比系统的 共振频率要高的时候，系统的振动幅度会受到影响，振动幅度 将会下降。我们假设有这样一个谐振频率 fs=10hz，二阶系统 的谐振增益为 g=10 倍，如果进行 25hz 的强迫振动，此时的震 动幅度响应应该是 -1439db，也就是说将它的振动降低至强迫 振动的 19%。这一套理论是不能在设计电刷与其压紧弹簧构成 的二阶系统中应用，因为极有可能将振动相位响应和强迫振动 相差 177的现实所忽略，意味着如果激励振动滑环相对电刷 运动的同时电刷也在向滑环做相应的运动，这样一来必然会造成他们出现强烈的冲击。 我们应该注意一点：因为滑环存在三菱度及不圆度，所以滑环的振动频率不止于它的最高转速频率，当具备其爪数 z 的（1-2）倍的时变刚度，经我们研究可以发现：当齿轮啮台推 力较大时，转动频率为 fn 的电机轴进行轻载时，必然会产生 fj=fnz2 的振动频率，进行重载时会产生 fj=fnz 的振 动频率。例如：最高转频为 fn=24 的柔性联轴器驱动发电机， z=6 时，转轴的振动频率能达到 fj=288hz。个人建议 500hz- 1000hz 的电刷谐振频率最好设计为 fs2fj。当改变柔性联轴 器成为数十齿的套齿联轴器时，因为将他们的时变刚度进行了 改善，大幅度的减小了振动，因此可以不用将电刷谐振频率提高。 增加压紧弹簧的刚度能够将 fs 的途径提高，可能有人会认为 这样做也会增加电刷滑环摩擦时的摩擦力及正压力，还会加速 磨损，不过这样是柔和的连续接触摩擦，相比较强烈冲击造成 的损害要小很多。结语：电刷和滑环是发电机励磁系统的重要组成部分，电刷是用于 滑环上作为导入导出电流的滑动接触体，是发电机能量交换的 设备。在运行过程中由于电刷质量、选型及维护不到位等原因， 及时针对性地提出出现问题时的维护措施和注意事项。参考文