基于海洋环境下的电刷滑环系统特征分析

巩源泉

摘 要：海洋与陆上风电相比，海上风电年利用小时数多，风速较陆上更高，有稳定的主导方向，因此机组运行稳定、寿命长。海洋环境下的腐蚀确实电刷滑环系统最大的困扰，针对盐雾腐蚀问题，设计了动态腐蚀模拟试验。动态盐雾腐蚀试验表明，盐雾会将加速电刷的磨损，破坏滑环氧化膜的形成。

关键词：电刷滑环；盐雾试验；海洋环境；显微分析

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）32-0261-01

引 言

海洋与陆上风电相比，海上风电年利用小时数多，风速较陆上更高，有稳定的主导方向，因此机组运行稳定、寿命长，不需要很高的塔架，单机能量产出较大。但是海上双馈风力发电机处于高盐雾、高湿度的恶劣环境中，电刷滑环的腐蚀与磨损遭受着严峻的挑战，这也是遏制海上风电发展的至关重要的因素。自然环境下的静态暴露腐蚀试验时间较长，不利于电刷滑环的研制与提高。目前盐雾试验一般主要用于检测各类设备是否能够抗腐蚀，并没有在动态运转的情况下监测电刷滑环的工作状况。

海洋环境复杂多变，影响电刷滑环腐蚀与磨损的因素较多，但是目前国内对于电刷滑环的抗腐蚀问题研究较少，只能参考海上的风机一些国际标准，甚至西门子公司曾宣布放弃对海上风机的研究与发展。电刷在海洋环境下磨损特别严重，一般的电刷工作几周之后就必须更换，严重耗损人力与物力。电刷与滑环之间的氧化膜也不能较好的形成，进而引发电刷滑环严重发热，故而研究高可靠、低维护、抗盐雾腐蚀的电刷滑环系统尤为重要。

1 海洋环境与盐雾腐蚀机理

1.1 海洋盐雾环境

海洋大气中的盐雾、环境温度和湿度、日光、海水的温度和流速、海水中的溶解氧及盐含量、海浪的冲击、漂浮物的撞击、海洋生物、海底土壤中的细菌等都可不同程度地引起钢结构的腐蚀。按ISO12944-2，大气区处于C5-M的海洋大气腐蚀。与内陆大气区相比，海洋大气区的湿度大，盐分高，容易发生电化学腐蚀。经研究表明，海洋大气环境比内陆大气环境对钢铁构件的腐蚀程度要高4～5倍。

盐雾的形成的方式包括海雾气流说、海水扰动说、盐尘飘扬说的等解释原理。文献中较为认可的原理为：盐雾是指悬浮在空气中含盐微小液滴。它是海水在涨潮与退潮时，海水之间的碰撞或者海水与海岸的碰撞，含盐的水蒸气在大气运动下形成的。

1.2 电刷滑环的腐蚀机理

盐雾对电刷滑环系统的腐蚀作用是以电化学的方式进行的，其腐蚀过程为金属的电离过程：①金属电负性较强，失去电子；②金属离子进入溶液，并以水化离子的形式存在；③留下的剩余电子被氧气吸收形成氢氧根离子；④氯化钠离解生成钠离子和氯离子，部分氯离子、金属离子和氢氧根离子反应生成金属腐蚀物。

碳刷在滑环上运行时，在其接触面上形成一层均匀、适度、稳定的氧化膜，氧化膜是一种复合薄膜，包括氧化薄膜和碳素薄膜，其正常厚度在8～100μm。滑环氧化膜在滑环运行中并非静止不变的，而是出于一种磨损、再生交替进行的平衡状态。氧化膜的存在可改变电刷与滑环的接触特性，减少了摩擦、降低磨损、延长使用寿命。海洋盐雾环境是高湿度环境，盐雾可加速腐蚀，导致铁锈粉尘增加，空气含氧量降低，氧化膜被破坏，滑环温度会进一步升高，可见盐雾是形成氧化膜及其不利的因素，容易破坏氧化膜形成的动态平衡过程。

2 动态盐雾试验分析

盐雾试验系统的搭建：

盐雾试验系统采用三相异步电机带动滑环旋转，电刷滑环整体置于盐雾试验箱内部，使得电刷滑环可以在盐雾试验箱营造的盐雾环境内运行，以便达到动态试验的效果。电刷所需的电流、频率由变频器电源提供，电流互感器好电压互感器采集电刷上的电流电压数据，示波器用于存储和监测电刷上的电流电压状况。变频电源提供低电压、大电流，采用1欧的黄金功率电阻限流，电阻需配备配套的散热片，避免电阻因长时间的试验而发热损坏。

盐雾试验前首先用显微镜观察滑环、刷架、电刷等器件表面的光学特征，电刷应使用800目以上砂纸预研磨，经过粗砂纸研磨与细砂纸研磨之后才能进行腐蚀试验，否则可能造成电刷滑环表面接触不均匀，接触面积减小，电刷电流断续，进而导致电流不平衡和滑環打火等状况。

滑环表面在未腐蚀之前较为平整，整个表面有较强的金属光泽，表面存在许多细孔。滑环腐蚀之后整个表面泛白，表面附着许多盐粒，盐雾腐蚀造成表面不平整。刷架未腐蚀之前整个表面清晰可见，不存在较大的孔洞，腐蚀之后表面变得坑坑洼洼，并且存在一定的灰度。电刷在未打磨之前灰度较大，经过动态腐蚀试验之后，整个接触面并没有与滑环进行接触，部分接触面灰度变高，部分接触面附着盐粒；灰度较高与附着盐粒的交界处显得尤为光亮，此处为不平衡的交界处。

3 结 论

盐雾腐蚀对整个电刷滑环系统都有较大的损伤，会加速电刷的磨损，促使电刷表面变得极为的不平整，电刷滑环之间的接触面积减小，在滑环表面发生电化学反应，滑环氧化膜不易形成，严重时还会引起打火现象。

参考文献

[1]黄 晖，殷华芳，章 翔，揭平宗.海上风电发电设施防盐雾措施讨论[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2017（06）：172～173.

[2]李美明，徐群杰，韩 杰.海上风电的防腐蚀研究与应用现状[J].腐蚀与防护，2014，35（06）：584～589+622.

[3]赵茂川.海上风机分区腐蚀及防护措施[J].科学咨询（科技·管理），2014（02）：31～32.

收稿日期：2018-9-18