风力发电机组主轴防雷碳刷及其滑道的研究

刘怡思，李凯

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京100086；2.华锐风电科技集团股份有限公司，北京100872；3.国网山西省电力公司运城供电公司，山西运城044000）

风力发电机组主轴防雷碳刷及其滑道的研究

刘怡思1,2，李凯1,3

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京100086；2.华锐风电科技集团股份有限公司，北京100872；3.国网山西省电力公司运城供电公司，山西运城044000）

介绍了大型风力发电机组主轴防雷碳刷及其滑道在防雷系统中的作用，并通过使用不锈钢防雷滑道，解决现存的滑道锈蚀等普遍问题。

风力发电机；雷电；碳刷；轨道；雷电泄放系统

0 引言

主轴防雷碳刷是风力发电机组外部防雷系统中的重要部分。大型风力发电机组在叶片接闪后，通常通过碳刷将叶轮内的雷电引入机组雷电泄放系统，从而将雷电泄放入大地。其中，碳刷的位置是固定的，并且在主轴的固定接触面上摩擦。若想将高频的雷电通过碳刷传导出去，碳刷与其接触面间良好的接触和导电性是必须的。在实际应用当中，该接触面常因环境影响而出现锈蚀，导致其与碳刷间导电性很差。此时叶片接闪后将无法通过碳刷传导，而只能通过主轴传导至主机架，然后才能进入雷电泄放系统。这种雷电传导方式，将有可能导致主轴轴承的电腐蚀，从而造成主轴轴承的损坏。

1 风力发电机组的外部防雷系统

并网型风力发电机正在逐渐向大型化发展，容量已经发展到兆瓦级别，轮毂高度也增至70～80m，有的甚至高达百米以上[1]。为防止雷电对风电机组造成损害，每台风电机组都设计有风力发电机组的防雷保护系统。按照防雷保护分区的概念，一般外部防雷保护系统包括接闪器和雷电泄放系统。

1.1 接闪器

雷击风力发电机的落雷点一般是在风机的桨叶上，因此接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。为了以可控的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采用30mm×3.5mm镀锌扁钢。对于机舱内的滚珠轴承，应将其两端通过碳刷或者放电间隙桥接起来。

对于位于机舱顶部的设施（例如风速计）的防雷保护，采用避雷针的方式安装在机舱顶部，保护该设备不受直接雷击[2]。

1.2 雷电泄放系统

雷电泄放系统包括引下线和接地系统。

如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线来使用；如果是混凝土塔身，那么采用内置引下线。

风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连构成网状接地体，这样就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。并且要保证接地系统的接地电阻达到防雷规范要求。

2 防雷碳刷的作用和现存问题

在一般情况下，风力发电机组遭受雷击时，如果有效接闪，则雷电会打到叶片的接闪器上，然后叶轮中的雷电通过雷电泄放系统泄放到大地。在雷电荷转移的过程中会形成雷电流，而雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点。若雷电流过轴承，就非常容易在轴承接触面上产生电弧，有可能将轴承熔焊在一起，即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，降低使用寿命。

现有风力发电机组，为削弱并解决雷击对主轴承的影响，在主轴外和主机架之间安装有几组防雷碳刷，通过碳刷与转动的主轴摩擦，将叶片接闪的雷电流通过碳刷直接引入雷电泄放回路，进而避免了雷电流流过主轴轴承。

在机组的实际运行中，为实现电流通路，主轴碳刷接触面是没有被绝缘漆保护的，而风力发电机组的运行环境一般比较恶劣，尤其是沿海等海洋大气的环境下，该接触面极容易出现生锈、腐蚀现象，这种现象增加了主轴与碳刷间的电阻，甚至使设计的最初目的丧失。

由于接触面锈蚀，碳刷无法起到作用，雷电流将有可能流过主轴承。虽然轴承的尺寸较大，雷击损伤可能还不至于立刻对风电机组运行造成影响，但轴承上出现的灼蚀点，将会引起噪声、振动和机械摩擦增大等问题，甚至缩短轴承的使用寿命，这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素。

3 通过固定滑道避免接触面的锈蚀

碳刷的接触面需要具备以下条件：导电性良好、防腐蚀锈蚀、抗磨损。现在一般工艺都是在接触面上镀一层导电涂料，但是实际运用中，碳刷和主轴接触面不断摩擦，导电漆会被磨损脱落，无法稳定地长期运行。

综上所述，可以在接触面上为碳刷加装一个滑道来解决问题。滑道可选用优质的不锈钢片，用螺栓固定在主轴接触面上，并用绝缘漆将滑道边缘和螺栓覆盖密封，防止潮湿气体从轨道边缘缝隙进入而锈蚀接触面。

这种方案既具备了上述所有的要求，同时成本很低，安装操作简易。

资料显示，在海洋大气区含铬大于17%的不锈钢基本不腐蚀，含铬大于17%的不锈钢腐蚀较轻,耐蚀性没有明显的差别。风力发电机组所处环境多变，为适应各种情况，我们可以选择钢材型号为316（也称“船用钢”）的不锈钢带。

316不锈钢，型号18Cr-12Ni-2.5Mo，因添加Mo，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好，可在苛酷的条件下使用，耐海洋和侵蚀性工业大气的侵蚀。

在不锈钢带两侧边缘各冲压出一排螺栓孔，螺栓孔可为长的椭圆型，便于装配。然后用螺栓穿过将不锈钢带固定在主轴上，螺栓孔的数量以保证钢材能够紧贴在主轴上为宜。

在主轴碳刷接触面上为轨道预留螺纹孔。用螺栓将钢带紧贴着接触面固定在主轴上。安装位置如图3所示。

图3 钢带安装位置示意图

4 结束语

固定不锈钢滑道后，可以很好地解决主轴与碳刷接触面由于生锈而引起的接触不良，雷电流可以更好地通过碳刷进入雷电泄放回路，避免了主轴承在雷击中受到损伤，提高了风电机组的抗雷击性能。

［1］耿华，杨耕，崔扬，等.并网型风力发电系统的现状与发展［J］.东方电力评论，2006（2）：1-7.

［2］黄金鹏.大功率风力发电机组叶片的雷击分析与防雷系统设计［J］.风能，2012（5）：80-83.

Research on Anti-lightning Carbon Brush and Slideway for W ind Turbine

LIU Yi-si1,2，LIKai1,3
（1.Electrical and Electronic Engineering College，North China Electric Power University，Beijing 100086，China;2.Sinovel Technology group Co.，L td.，Beijing 100872，China；3.State Grid Yuncheng Power Supply Com pany of SEPC，Yuncheng，Shanxi 044000，China）

This article introduces the function of carbon brush and its slideway in lightning protection system of largewind turbine，and itelaborates that theapplication ofstainlessslideway can solve theexisting common problemssuch asslide rust.

wind turbine；lightning；carbon brush；slide；lightningprotection system

TM315

A

1671-0320（2014）04-0026-02

2014-03-10，

2014-05-21

刘怡思（1985-），男，黑龙江伊春人，2007年毕业于北京化工大学电子科学与技术专业，2012级华北电力大学电气与电子工程学院工程硕士，工程师，从事风力发电机组电气研发及优化升级工作;

李凯（1984-），男，山西运城人，2012级华北电力大学电气与电子工程学院工程硕士，助理工程师，从事高压电气试验工作。