风电机组双馈异步发电机集电环磨损原因分析及处理

风电机组双馈异步发电机集电环磨损原

因分析及处理摘要：阐述了双馈异步风力发电机集电环的基本组成，针对双馈异步风力发电机集电环磨损的原因进行深入分析，提出发电机集电环磨损的处理方法，并指出发电机集电环的维护方法及注意事项，进一步提高风机设备的可利用率及稳定性。关键词：双馈异步风力发电机；集电环；磨损1、概述上海电气W2000H-93-80型风力发电机组采用的发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成。双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了〃柔性连接〃，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。本文针对东川野牛风电场3号风机报转子变流器电流故障停机，暴露出集电环表面磨损较严重情况进行分析。2、集电环系统结构发电机集电环为发电机提供励磁电流来调节定子电压、频率、无功功率、调节转子的滑差有功功率，是风力发电机的重要功率单元。集电环主要由滑环体、碳刷（相用、接地）组成。滑环体与碳刷一同作用将转子与外部供电设备连接起来，实现动静的转换;刷架起着对碳刷的支撑作用，并有效地将碳刷与滑环体结合为一体。刷架、支撑杆是双馈异步风力发电机滑环系统的关键部件，刷架、支撑杆主要由K、L、M接地刷架及一级支撑杆三副、二级支撑杆二副、辅助碳刷磨损微

动开关14个等组成。集电环系统同3个（K、L、M）独立的螺旋槽体、接地台阶、编码器连接支架、耐电晕绝缘材料等组成（如图1）。图1集电环机构图3、故障情况2021年4月15日，野牛风电场03号机组报出转子变流器电流故障停机，故障代码30802。查看变流器后台监控界面发现转子W相瞬时过流故障停机。图2风机SCADA后台监视界面图3变流器后台监视界面4、现场判断及检查4.1通过检查变流器转子侧霍尔、检测板未发现问题，判断发电机转子侧集电环及碳刷和电缆存在问题，拆开滑环室检查发现碳粉堆积较多（如图4）且集电环滑道磨损严重，并存在打火痕迹（如图5）。

图4碳粉堆积较多图5滑道磨损严重4.2测量集电环相间绝缘电阻，W相绝缘为0（如图6），判断为W相存在接地故障，因滑环室空间狭窄，接地故障无法处理，故对集电环进行了更换。新滑环后故障消除，风机启机运行正常。图6测量集电环绝缘电阻5、集电环磨损原因分析5.1滑环室碳粉堆积过多（1）发电机滑环室内滑环刷架系统用碳刷与滑环表面滑动接触，滑环转动时与碳刷摩擦产生的碳粉易附着在刷架、滑环相间绝缘凹槽、滑环端面接线柱位置及滑环室底部，长期运行导致碳粉堆积。（2）碳粉为导电体，累积到一定程度后，会连接形成区域块状或条状导电面，同时发机运行时转子电流较大，滑环刷架系统受到碳粉堆积影响易发生相间短路或爬电导致接地故障。5.2集电环滑道磨损严重，并存在打火现象，造成W相接地（1）运行正常的发电机集电环表面，滑道上有均匀的或深或浅的棕褐色的氧化膜，不仅保护滑环的表面，同时也保证了良好导电性。（如图7）。图7正常集电环表面（2）不正常的集电环（如图8）滑道磨损痕迹严重且不均匀、有打火痕迹且集电环滑道磨损严重。因碳刷跳动使集电环磨损增大，产生大量碳粉，碳粉堆积在集电环表面上易造成碳刷卡涩，使碳刷和集电环滑道接触不良，造成碳刷过载。其次碳刷弹簧压力不均匀，会造成碳刷与集电环的接触不良，影响碳刷与集电环表面的接触电阻，进而使集电环过热，甚至烧蚀集电环出现打火现象，损伤集电环，造成W相接地。图8不正常集电环表面4.3电网因素（短时过电流或者过电压）风力发电系统出现短时过流或者压（电网故障、电缆接头故障、变压器故障、变频器故障等），在集电环表面会产生印痕，由于有印痕使得碳刷和集电环的接触变差产生火花，而火花又会使得这种印迹越来明显，对集电环产生磨损，导致集电环表面凸凹不平，而集电环表面不平又会加重火花的产生，恶性循环，集电环和碳刷表面温度越来越高，接触面越来越差，直到产生电孤将集电环表面灼伤。6、解决方法6.1清理集电环腔室（1）取出碳刷，使用干燥的毛刷对刷架及表面进行碳粉清除处理。（2）集电环滑道间凹槽内堆积的碳粉处理，使用干燥的毛刷对滑道表面及滑道间凹槽进行碳粉清除处理，要求边清理边盘动轴系，确保整个集电环均能全部清洁。（3）相间绝缘凹槽内堆积的碳粉处理，使用干燥的毛刷对相间绝缘凹槽内进行碳粉清除处理，要求边清理边盘动轴系，确保整个绝缘凹槽内均能全部清洁。（4）使用干燥的毛刷对腔室内部行碳粉清除处理，要求整个腔室内部全部清洁，然后使用吸尘器进行碳粉吸附洁净。注意：必须使用洁净、无油污、干燥的毛刷，佩带薄的橡皮手套及防护眼镜、口罩。6.2对于出现故障的集电环，首先检查集电环绝缘电阻是否正常，如果绝缘电阻过低，则更换集电环;如果绝缘电阻合格，进行下面操作：（1）用细砂纸不断按旋转方向进行打磨集电环，打磨过程中必须与集电环的实际弯曲面一致。（2）如有必要，需更换新的刷架、碳刷、刷握。（3）加强对于发电机集电环的巡查，尤其是检查集电环表面情况是否有氧化情况。6.3严格控制碳刷更换工艺（1）当运行中的碳刷磨损至2/3碳刷高度时，应对碳刷进行及时更换。在更换碳刷前，细心研磨碳刷使其表面光滑，并保证碳刷在刷握内上下活动自如。（2）刷握的下边缘和集电环工作表面之间的距离控制在2—3mm，距离过小，会碰撞集电环表面，易受损；距离过大，碳刷跳动易产生火花，每次更换的碳刷数量不能超过每极碳刷数量的10%，并做好碳刷更换记录。（3）更换碳刷的操作人员要站在绝缘垫上，不得同时接触两极或一级与接地部分，也不能两人同时进行工作。（4）新碳刷放入刷握内后，应上下拉动一下，检查碳刷是否能上下轻松移动，若有卡涩现象，应将碳刷四面用砂纸打磨，直至符合要求。7、运行维护中建议（1）定期清扫、吹灰，保持碳刷及集电环表面清洁，检查中发现碳刷火花大、电流分配不均及烧断刷辫等故障时，应及时调整或更换碳刷，防止事故扩大。（2）利用全年检、半年检修的机会，对集电环进行防锈和除锈，对集电环沟道进行彻底吹灰和清抹。如集电环表面起毛或出现小坑等情况时，要利用停机的机会对集电环进行抛光打磨处理。8、结论通过此次上海电气2.0MW机组转子变流器电流故障停机事件，暴露出发电机集电环表面磨损较严重的问题，分析了发电机集电环的实际故障情况，规范检查维护方法，最大程度的减少发电机集电环故障发生，及时发现清除机组存在的安全隐患，保证设备的安全稳定运行。参考文献：熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册.北京：中国