风电机组发电机集电环打火剖析

刘敏　刘贵平　刘坤杰

摘 要：本文结合实际，从双馈异步风力发电机组运行实际出发，分析了双馈异步风力发电机组中发电机产生集电环打火的原因及其预防措施，通过实施可靠的预防的方法达到发电机集电环的安全、可靠、高效运行，进而提高机组的经济效益。

关键词：集电环；风电场；风力发电机组

一、 引言

随着我国风力发电事业的快速发展，我国风电机组装机容量不断增大，据统计2014年，全国（除台湾地区外）新增安装风电机组13121 台，新增裝机容量23196MW，同比增长44.2%。但是随着时间的推移，机组日趋老化，机组发电机集电环出现打火现象更为普遍，如何采取有效地预防措施减少和杜绝集电环打火，使机组安全可靠运行已成为值的探讨的话题。

本文针对双馈异步风力发电机组中风电机组运行的实际情况对集电环打火进行了详尽的分析并给出了相应的预防措施，在一定程度上预防了打火的产生。

二、 风力发电机简介

风力发电机是通过叶轮吸收风的动能转换为齿轮箱旋转的机械能，再由发电机将机械能转换为电能。

三、 双馈异步风力发电机组发电机

双馈异步风力发电机组发电机由定子、转子、端盖、轴承、滑环室等部件组成。

（一）风力发电机滑环室的构成

滑环室由集电环、碳刷架、风扇、排碳孔等部分构成。

集电环也叫导电环、滑环、集流环、汇流环。风力发电机组集电环由三个绝缘滑环和一个没有绝缘的轴接地滑环组成。发电机转子通过集电环与外界相连接，实现固定位置到旋转位置电力能量的传输。滑环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。

风电机组使用碳刷架将碳刷固定，通过压指使碳刷与滑环紧密接触，实现电能量的传输。这部分能量的传输在风电机组运行发电的过程中至关重要，是实现机组并网发电的关键一环。

发电机集电环的打火引起电能量传输不稳定或使碳刷磨损过快，使得机组运行不稳定。

（二）机组集电环打火的常见诱因

集电环是发电机转子励磁电流的承载体，作为高速滑动的接触部件，其在运行中打火现象比较普遍，严重时引发环火，直接导致机组停机事故。

引发发电机集电环打火事故的因素有：

1、碳刷质量不良，过热时碳刷容易碎裂，大量碎屑导致碳刷与集电环之间拉弧；

2、集电环冷却风进风口滤网堵塞，空气量减小，影响集电环表面冷却效果；

3、发电机轴承密封损坏润滑脂泄漏，导致碳粉排出不畅，油气与碳粉混合物污染滑环环室；

4、碳刷监控信号未动作或短接，碳刷过短导致碳刷金属部分接触，产生拉弧现象；

5、碳刷不匹配原因导致电流偏移，导致集电环打火；

6、发电机转子绕组三相电流不平衡导致集电环打火；

7、碳刷与集电环表面接触不良，集电环表面及碳刷组件过热；

8、集电环本身质量不良，绝缘电阻不达标，运转过程中绝缘减弱造成局部放电。

9、发电机轴承振动导致碳刷与集电环接触不良，导致集电环打火；

10、刷架压指压力不足，导致接触不良引发拉弧现象；

（三）机组集电环打火的预防措施

定期的维护检查是减少和杜绝集电环打火的有效措施，一般滑环的维护周期为6个月，使电机处于静止状态，用软刷子仔细清洁滑环的槽和中间空间，用不带纤维的软布或沾湿丙酮清洁所有部件，用工业真空吸尘器彻底清洁滑环室，清洁之后检查滑环室绝缘，一般要求大于500兆欧。针对上文引发集电环打火的诱因给出以下预防措施：

1、在使用碳刷时使用质量合格，并有良好企业信誉的厂家产品，如在机组巡检过程中发现碳刷存在边缘碎裂的现象，应及时更换，并及时对碳刷进行质量检验。杜绝使用不符合要求的碳刷。

2、定期更换滑环室过滤器毛毡，防止大量碳粉积存，影响空气流动，减弱热交换，一般过滤器应每年更换一次。

3、定期清理发电机轴承废油脂，防止废油脂堵塞油路造成轴承密封损坏润滑脂泄漏，当发现存在油脂外泄时应及时清理废油脂，疏通原有油路，并进行密封的处理。

4、定期排查滑环室碳刷监控的触发情况，对损坏的行程开关进行更换，对长度少于1/3的碳刷进行更换处理。合理的调节刷架与集电环之间的距离，防止运行过程中产生干涉。

5、在更换长度少于1/3的碳刷时，应选用与其他组型号，厂家相同的碳刷，原则上应全部更换。因为不同厂家的碳刷其硬度，额定电流密度、电阻率等相关参数不同，导致在运行中电流的不平衡。

6、碳刷与集电环表面接触不良导致集电环打火是较为常见的诱因，造成表面接触不良的原因有：

（1）更换碳刷时未进行研磨，碳刷与集电环表面接触未达标。一般情况下在安装前应进行预磨，预磨应按照电机旋转的方向进行，开始使用粗纤维，后期使用细砂纸进行精磨，反复研磨直到电刷与集电环接触面积达到80%以上。

（2）发电机轴承振动剧烈使得高速旋转时，发电机电刷与集电环在震动时两者分离，造成拉弧现象，进而导致集电环打火。如在日常巡检时发现发电机轴承噪音大，温升异常，均应加强发电机检查，若发电机轴承已磨损严重，应及时更换发电机或发电机轴承。

（3）发电机刷架压指压力不足，使得接触面贴合不稳定，造成拉弧现象，一般压指提供P=20kPa+20%～70%的正常压力，通常采用弹簧称和测力计来校核。

（4）碳刷在刷握中发生卡塞，导致碳刷不能及时补给，造成接触面贴合不良，要求在日常巡检中，检查碳刷的灵活性，发现存在卡塞现象，应及时更换或修型刷握，及时更换碳刷。

7、使用合格的集电环是保证发电机安全可靠运行的前提。在使用重新修磨的滑环时，应注意修磨时尽可能不要磨掉光泽层，光泽层可使碳刷接触良好。

综上所述良好的日常巡视及专项排查是杜绝和预防集电环打火的有效措施，发电机的可靠运行是机组可靠、安全和经济运行的基础。

四、 结束语

随着风力发电机组风力机组规模的不断扩大投运时间的加长，机组老化必然会引发一些机组缺陷的产生，而发电机集电环打火等缺陷已成为影响机组可利用率、机组经济运行的因素之一，如何在日常检修过程中采取有效地措施，使得机组经济、可靠运行已成为我们值的思考的问题。

参考文献：

[1]姜代鹏. 并网风电场对电力系统电压稳定性影响的研究[D].江苏大学，2010.

[2]中国可再生能源学会风能专业委员会. 中国风电装机统计2012[R]，2012