双馈风力发电机电刷滑环故障分析

双馈风力发电机电刷滑环故障分析

【摘要】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。

【关键词】双馈风力发电机；电刷滑环；故障处理

滑环、电刷是发电机运行过程中极易出现问题的组成部分[1]，极小的问题都会引发较大的事故。如：碳刷全部没有接触上，会引起发电机失磁的严重现象产生，出现环火，且发电机漏氢，很容易发生氢爆炸。因此分析引起双馈风力发电机电刷滑环故障因素及其重要。

1.双馈风力发电机磁滑环、电刷设计

双馈风力发电机具有A、B、C三相励磁滑环及相对应的电刷，并且还设置了接地滑环D及对应电刷。三相电流相对较大，因此各设置了S个基本均布电刷，D相接地滑环只有一个电刷，它可以接电机轴或星形励磁绕组中线，方便将轴电流及中线电流通过电刷接地。

2.滑环的损伤和单个电刷摩擦形成的冲击波形、振动与滑环故障分布规律相同

由于D相滑环一般情况下只设置1个电刷，因此很容易因为振动引起电刷、滑环分离，这样就容易造成电弧及损伤。可以通过以下两种方式进行检测：（1）电刷座的振动冲击；（2）判断绝缘安装的轴承座对地/机器外壳的轴电压。如果滑环出现损伤，会在摩擦电刷过程中产生冲击、振动，这样不但磨损电刷，还会将滑环的损伤加重。滑环损伤的故障有很多，故障分布规律和数量通常情况下与柔性联轴器爪数具有因果关系。电刷滑环故障的后期，运转时将产生较强的冲击、振动及轴电压，这种强度可以掩盖其他的故障信息。具有以下特征：若存在X 处均布损伤，就会有X阶转频冲击谱。所以说滑环的损伤和单个电刷摩擦造成的振动、冲击波分布规律和滑环分布规律相同。

3.滑环振动造成的电刷冲击及危害

滑环存在较大的振动，像磁隙不均匀、转子不平衡振动及滑环不圆度的电磁振动，激励S个电刷以后将会造成点数和滑环的短暂分离。这时候D相单电刷和与其相对应的滑环将会发生电弧及损伤。其他三相的S个电刷不同步、相继与对应的滑环实现分离后接触，会产生相继冲击，这种冲击的特征频谱和转频的S 阶冲击谱相等。

图1 力学模型示意图

假设电刷设计合理，且它与其压紧弹簧组成机械二阶系统，产生固有共振频率FS，比滑环的转动频率FN要高很多，假设滑环出现不平衡、不圆度的问题，会引起正弦“滑环振动”幅度A=1mm，对电刷存在强迫作用。我们构建如图1所示的力学模型示意图，分析滑环振动和电刷振动的相互作用，箭头指示运用正方向。我们可以很明白的看出，电刷正向位移不能比滑环正向位移小，不然，滑环会强迫电刷进行运动；电刷可以比滑环的正向位移大，与滑环分离。电刷的负向位移绝对值一定要大于滑环的负向位移，不然，滑环会对电刷运行形成阻碍作用；电刷也可以正于滑环负向位移，和滑环分离。

4.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FN×Z，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[2]：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=FN×Z×2的振动频率，进行重载时会产生FJ=FN×Z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FS>2FJ。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。

5.总结

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[3]。

【参考文献】

[1]俞立凡，Yu Li-fan.390H发电机电刷滑环的运行特性及其事故的处理[J].发电设备，2009，23（3）：219-222.

[2]唐德尧，曾承志，李合林.双馈风力发电机电刷滑环故障信息分析及维修建议[J].风能，2010，（8）：60-65.

[3]钟秋娟.3200kW发电机滑环烧蚀故障的分析及处理[J].当代农机，2011，（4）：70-71.