风力发电机组变桨滑环常见故障机理与研究

华能新能源股份有限公司辽宁分公司 杨家兴 齐春祥 王志勇

1 引言

为推动我国无故障风电场建设，结合现场频发性故障编写风电设备典型故障案例，为风电场运维管理提供有力参考价值。变桨系统是风电机组的重要组成部分，可以通过控制桨距角控制风轮转速，从而达到恒定输出功率的目的。变桨滑环主要起到机舱控制与变桨控制之间传输动力电源、安全链控制信号以及变桨数据通信的作用[1-2]。以辽宁某风场为例，根据初步统计，在投产超过10年的老旧风电机组中，因变桨滑环故障引起的故障停机占比超过全年故障的50%左右，可见变桨滑环的平稳运行对机组起到重要作用。若滑环出现问题，将直接导致安全链断开，造成机组急停回桨，对机组安全运行产生不可预估的危害。

2 变桨滑环结构及工作原理

变桨滑环主要用于风力发电机设备转动部件与静止部件之间的电气连接，是向旋转状态下的设备持续提供电源和信号传输的关键部位，滑环主要由滑环主体（包括滑环体、电刷、精密轴承组成）、温控系统、外壳、连接电缆组成，其中滑环体和电刷俗称为摩擦副，变桨滑环结构示意图如图1所示。

图1 变桨滑环结构示意图

变桨滑环设计基本上是滑环体以铜基为基材，电镀贵金属（金钴、钯金、硬银等靶材材料），电刷以三元合金、四元合金、六元合金（金、银、铜、钯、铂、铑等合金材料）为基材。其原理是滑环体和电刷旋转接触并保持一定的压力，达到传输电压、电流以及数据等信号[3]。其摩擦副的匹配度对于滑环寿命和性能起决定性作用。变桨滑环品牌众多，但是其基本原理类似。

3 变桨滑环常见故障

变桨滑环主要起到机舱控制与变桨控制之间传输动力电源、安全链控制信号以及变桨数据通信的作用。如果滑环出现故障，主要有两种情况，一般性故障和严重性故障。

3.1 一般性故障

一般性故障是指现场可处理性故障，故障类型有芯体内接触导通性问题、密封问题、主要附件损坏、滑环外部损伤、磨屑问题以及刷针跳动问题等。

3.2 严重性故障

严重性故障是指现场无法修复，滑环遭到破坏性损坏，需要返厂维修处理，故障类型有滑环内部烧损、滑环各通道短路或断路的问题、主轴跳动过大，芯轴偏磨、芯轴滑道镀层磨耗过大等问题。

4 变桨滑环故障分析

4.1 滑环体与电刷导通问题

滑环体和电刷接触不良会造成信号传输丢失，其产生原因多为连接器插针变形、锈蚀，或因密封性不好，致使油污覆盖滑环体表面。风电机组机舱与变桨之间通信连接通过滑环采用Profibus-DP 或CAN-open通信总线进行交互，安全链控制通过滑环滑道与叶轮转速检测装置连接，故伴随风机故障现象为信号、通信通道的信号缺失，复位后正常，间断性又出现故障。遇见该类故障，用万用表检测各路通断、精密阻值仪检测各通道的动态阻值，还需要拆开滑环清除油污等污染物，更换损坏部件。

4.2 主要附件损坏问题

编码器检测无信号如图2所示，编码器不规则信号抖动波形如图3所示。

图2 编码器检测无信号

图3 编码器不规则信号抖动波形

变桨滑环集成了电路板、编码器、浪涌保护器、加热器以及温控器等电气元件，电气元件损坏，也会导致机组报故障停机。结合所报故障代码，逐步排查分析，若出现以上故障，需要更换相应零部件，再次进行测试，直至滑环指标参数符合技术要求。

如图2和图3所示，编码器故障常伴随现象为编码器跳变，转速差偏大，复位后正常。其主要原因有滑环支撑杆不牢固，震动传导导致转速突变。编码器联轴节松动，导致转速失真。编码器本身故障干扰，采用示波器观测编码器波形，静态波形出现不规则齿形，表示编码器电路系统故障，波形正常的表示编码器无故障，则需检查联轴节、支撑杆。

4.3 滑环外部损伤问题

由于机组不同滑环放置位置也有所不同，有的机组将滑环置于轮毂内部，还有放置在机舱内部，无论放置何处其功能均是完成机舱与变桨系统之间的可靠电气连接关键部件。滑环外部损坏主要体现在壳体外部结构损坏、电缆破损、编码器联轴节和航空插头损坏、防水接头、密封件损坏等方面。这类一般性问题的损坏，通过肉眼或仪器测量即可判断，维修也很简单，通过清理维修和换件，或用专业工具调整，可以恢复[4]。

4.4 磨屑问题以及刷针跳动问题

目前市面上U 形滑环主要有LTN 和穆格，V 形滑环主要有史莱福灵、基腾和中能动力等，在动力传输和信号传输方面U形滑环和V形滑环各有优势。通过滑环的结可以发现U 形滑环的导电环和电刷丝之间的接触面是一个圆弧面，由于导电环在圆周内的机械加工具有不一致性，随着滑环转动，其导电环与电刷丝之间的接触面积在不断变化。一旦有杂物入侵或者磨损的残屑落到导电环的U 形槽中，势必引起接触面积发生变化，接触电阻也随之变化，增加电噪声，产生电磁干扰，尤其在传输信号等微电流时影响更加明显[5]。

V 形滑环相对U 形滑环在信号传输方面更加优秀，采用单针结构，刷针V 型槽口里，刷针与环道之间有2个接触点，受震动影响小，信号传输稳定，刷针必须保持较大的接触压力以保证通流的稳定性，必须采用润滑剂以保证刷针与滑道之间的顺畅滑动。V 形滑环同样存在不足，由于滑剂本身的黏性，又将磨屑粘连在一起，造成信号的误传递。所以单刷针的滑环必须经常清洗，再涂润滑剂。另外由于单刷针结构，在震动条件下，刷针卡紧结构松动情况下，会出现刷针跳动现象。信号通道会出现突然的信号中断报警，复位后又恢复的情况，这就需要使用动态阻值检测仪，测试滑环通道的动态阻值，可以判断刷针与环体的接触性能。

U形滑环与V形滑环示意图如图4所示。

图4 U形滑环与V形滑环示意图

4.5 滑环烧损问题

滑环烧损多是在滑环芯体内部，因为在整个系统，滑环芯体摩擦副是最脆弱的地方，一旦有大电流、接触故障、接地不良等情况发生，就会导致滑环滑道打火、点蚀、烧灼等问题。正常情况下的滑环容量可以满足工作要求，一旦系统出现电流波动的时候，主通道烧损情况特别严重（现场测试中最大持续电流可达到80A）。尤其是230V通道，通道仅采用单针通道，在逆变器电压波动时，230V系统启动时，电流的波动较大，很容易造成烧损。现场应用中，加热器等部件烧损情况也很普遍。

滑环内部环道、针刷电路板、动力电缆、信号电缆和主轴等烧损，滑环环道严重烧坏，材料经过高温后，导电性能改变，且环道表面由黑色粉末附着，无法清除。故出现该故障，首先判断滑环容量是否足够满足要求，必要情况下更换大容量滑环，并且查明接地是否良好，排除非滑环本体原因。

4.6 滑环各通道短路、断路的问题

滑环经常会出现各通道导通的问题，或者断路的情况。运行时表现主通道为空开频繁跳闸，信号通道或通信通道频繁报错。有的虽然没有短路，但是在测量相间绝缘时候，仅有50MΩ，甚至更低，这种情况下滑环装机后自检都无法通过。排除外部原因后，这类故障多是由于滑环芯体内部导通或者断路所致，通过绝缘及耐压测试，可以判定这一故障。一旦确定主轴内部绝缘过低，或者通道断路，需要更换主轴。

4.7 芯轴环道镀层磨耗检测

滑环的震动过大，造成环道磨耗不均，局部磨损严重。通道电流出现突变，可能会在环道上出现烧损疤痕，破坏环道镀层，这种情况需要对环道进行修复或者更换主轴。

5 变桨滑环维护

滑环定期维护和机组定期维护时间应保持同步,一般周期每年进行一次。主要内容包括如下。

一是检查滑环外壳等零部件是否有腐蚀现象。二是检查各电缆接头是否出现松动现象。三是拆除滑环上的支撑杆，转动滑环定子，检查轴承是否有异音、震动等现象，检查各密封圈、密封垫是否有损坏。四是打开滑环外壳，检查刷束和滑环是否有明显的电蚀、机械损伤、污染物等，并清理污物。五是清洗滑环过程严格按照维护手册执行，清洗后恢复安装，保证滑环完整性、可靠性和稳定性。

频繁清洗滑环会对滑环使用寿命产生一定影响，在定期维护对滑环导电环道进行清洗时，严禁使用油基清洗剂，以防对环道和电刷产生腐蚀。清洗时，禁止拆卸电路板,清洗完使用热风枪均匀烘干，对每个导电环道适量喷涂润滑油，同时完成对外部通信线及Harting接头等部件的重点检测和维护。

6 结语

本文通过对变桨滑环常见故障进行案例分析，找到故障发生的根本原因，并且提出处理故障方法，为保证风机安全运行提供参考，有效降低了现场变桨滑环故障率，对现场无故障风电场建设起到积极的推动作用。