双馈风力发电机用滑环系统设计

文／江苏南车电机有限公司 阳辉力 邓方林 邹强龙 祝令帅／

1 前言

随着国内风力发电机快速发展，双馈风力发电机装机量的不断提高，双馈风力发电机整机质量严重危及发电机的安全运行。滑环系统做为双馈风力发电机动静衔接和能量交换的设备，是双馈风力发电机励磁系统的重要组成部分。基于双馈风力发电机安装于高空，使得滑环系统的日常维护工作量大，尤其是处于恶劣环境下的（高原、海洋）的机组，其维护维修工作更加困难，维护成本尤为突出，故设计高可靠性、低维护的滑环系统对双馈风力发电机组具有一定的工程运用意义。

文献从滑环系统风场运行状况进行阐述，对滑环系统常见故障进行分类，根据风场滑环系统运行情况指导滑环系统设计的结构选型，从而引发对滑环系统结构设计的侧重方向及设计理念；文献结合国内滑环系统制造状况，验证不同碳刷在各风场运行状态，获取碳刷选型设计的经验值；通过分析及验证形成一套双馈风力发电机用滑环系统设计方式。

2 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。

3 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。

图1 热套组装式集电环结构

图2 胶铸式集电环结构

4 结构设计

4.1 材料选取

滑环系统安装防护等级为IP23，滑环系统设计中需考虑材料防腐能力，故刷握、恒压弹簧和微动开关等含有金属零部件必须做防腐处理，防腐等级不低于ISO12944中C4H要求；同时因滑环系统是滑动接触部件，集电环必须具备一定的耐磨性，故集电环推荐使用高强度不锈钢锻件。

绝缘材料的选取和处理是滑环系统设计的关键项点。绝缘材料选取时应能满足高低温冲击，需具备一定回弹、伸缩性等机械性能。如，热套组装式集电环需考虑绝缘材料与金属材料的收缩性，一般金属材料受热收缩比是绝缘材料的10～20倍。因其线性膨胀系数不一，需调节制作工艺参数来保证热套组装式集电环结构整体密封性能；整体胶铸式集电环结构，因其胶铸绝缘材料固化温度达140℃以上，结合风场运行状况，需关注胶铸绝缘材料在高低温环境下抗老化和脆化能力，通过调整胶铸固化温度和绝缘材料成分的配比来优化胶铸绝缘材料的力学性能。

4.2 结构设计

滑环系统主要由旋转部件集电环、固定部件刷架和链接部件碳刷组成。

集电环可靠性设计要求较高，在集电环设计过程中需关注如下项点：兼顾双馈风力发电机转子绝缘电阻需求，集电环在受潮的情况下绝缘电阻应不低于0.69MΩ，集电环设计需验证其密封性能，针对海上风电或湿度较大地区，集电环需通过浸水试验验证；随着滑环系统的运行，滑环装配空间内存在积碳缺陷，故集电环设计过程中需确保集电环表面爬电距离（最小爬电距离应不小于60mm）；绝缘材料表面须做污闪处理，相环间和相环与接地环之间绝缘材料设计自带清理碳粉功能的非圆形结构以便减低碳粉在集电环表面的附着能力；装配需综合考虑绝缘材料的力学性能和过盈量，确保相环与绝缘材料在高速旋转的离心力作用下结构可靠；集电环动平衡量将影响发电机的振动，在集电环设计中需分布消除因导电杆引起的不平衡量；导电杆与集电环相环链接需牢固且控制其接触电阻，避免因接触电阻过大、不均匀引发的转子三相电流不平衡现象，故导电杆与集电环相环链接采用银铜焊接处理。

刷架是滑环系统固定装置，主要由固定装置、刷握、恒压弹簧和监控设备（微动开关）组成，在刷架设计中需注意如下事项：

任意滑环系统，在不同设计直径和转速下，碳刷运行时所受的摩擦力仅与碳刷的重量及恒压弹簧的压力值相关，氧化膜的建立是新旧氧化膜更替动态过程，为确保氧化膜有效建立并结合风场运行状况，恒压弹簧压力值选取为2～2.5N/cm2，如恒压弹簧压力值过大将加剧碳刷磨损，恒压弹簧压力值过小碳刷在刷握中存在跳动，将导致集电环打火拉弧。

微动开关是实现滑环系统远程监控的核心装配，微动开关的高可靠性亦是刷架设计中的关键项点，目前双馈风力发电机用滑环系统所采用的微动开关绝大部分采用塑料件，材料选取必须考虑高低温脆化，微动开关设计需防止恒压弹簧压指压断微动开关触头，故微动开关触动行程须在恒压弹簧压指行程内，微动开关最大行程需超出恒压弹簧压指行程。

碳刷是滑环系统运行链接部分，碳刷与集电环运行时的匹配性是碳刷选型的关键项点。目前，国内缺乏碳刷研制技术，相比国外知名碳刷制造商仍有较大差距，基于双馈风力发电机运行环境的特殊性，本文献碳刷的选取立足进口件，结合我公司双馈风力发电机运行经验进行设计选型。

碳刷氧化膜的建立与碳刷成分、运行环境、电流密度、震动等因素相关。氧化膜能否有效建立将影响碳刷的使用寿命，因我国风力发电运用地域广泛，有高原、干旱、平原、沿海、潮间带和海上等，这对碳刷的选型带来不便。为开拓一款通用性强、耐磨性好、经济实惠的碳刷。我公司结合并网运行风机对国内常用的碳刷型号进行风场对比验证。经验证，RC53主碳刷、carbon brush（A）和carbon brush（B）接地碳刷配套使用，可实现碳刷2年一换。

5 结论

采用热套组装式集电环结构和胶铸式集电环结构的滑环系统各具优势，前者风场在线维护性较高，后者整体性能较好。针对风电维护难、维护成本高等状况，海上风电滑环系统趋向选择浇铸式滑环结构配耐磨性碳刷。

[1] 吴银龙等.浅谈绕线转子电机集电环与电刷的选取.防爆电机,2006-4(41).

[2] 马宏忠等.风力发电机电刷滑环系统三维温度场分析与计算.中国电机工程学报，2013.33(30).