風電滑環典型故障分析及質量控制

發布日期：2022-06-24

　　基于對風電滑環故障信息的統計與對故障滑環的拆解,分析故障的主要原因,根據分析情況對滑環質量控制點進行探討。

　　風電滑環是用于風電機組的機艙和輪轂之間傳輸電能動力和電氣信號的裝置,包含兩個相對旋轉的部分：轉子和定子;滑環是風電機組的關鍵電氣部件，其運行的可靠性好壞直接影響風電機組的安全運行;風電滑環可靠性提升是風電機組提升整體性能必須攻克的技術瓶頸。

　　一、風電滑環結構

　　風電滑環主要由滑環體、電刷組件、導電環、絕緣材料、軸承、電刷固定支架、防塵罩及其他輔助件等組成。電刷采用貴金屬合金材料，與導電環環槽對稱接觸，借助電刷的彈性壓力與導電環環槽滑動接觸來傳遞信號及電流。電刷是滑環的關鍵部件，根據電刷材質，可以分為以下幾種：

　　(1)復合電刷:一般采用碳刷、銅刷、銀/石墨/二硫化鉬的刷塊等形式。該種電刷的特點為：優先磨損刷塊，延長了電刷的使用周期，但產生較多的粉未狀磨屑，需要定期清理，以免絕緣下降而擊穿，對濕度非常敏感，若相對濕度低于15%或高于80%，會加速磨損造成磨損不均;

　　(2)單絲金屬電刷:采用貴金屬合金單絲，如AuNi9等。該種電刷的特點為：相對于復合電刷，磨屑少，容量高，載流能力有限，潤滑要求較高，觸點需要充分潤滑;

　　(3)纖維刷:運用與單絲電刷類似的貴金屬材料的金屬纖維，并將多條金屬纖維捆扎成致密的多纖維電刷，在導電環上外鍍貴金屬，防止觸點氧化。該種電刷的特點為：以極少的接觸力，降低磨損速度，纖維刷導電性較好，電流密度高。

　　二、風電滑環典型故障分析

　　(一)滑環故障統計

　　根據風電機組的型號，滑環可分為1.5/1.65MW滑環與2MW滑環，1.5/1.65MW滑環安裝在輪轂側，2MW滑環安裝在機艙側，輪轂滑環工況相對于機艙滑環工況惡劣，輪轂要比機艙振動更加頻繁，此為1.5/1.65MW滑環故障率偏高的重要因素,從風場的反饋情況看,故障現象主要表現為通信故障,環道燒毀,編碼器故障等;以下對476件返修滑環檢測情況進行統計，滑環故障部分主要分布以下幾類。

　　(二)滑環的典型故障分析

　　根據風場反饋的故障現象，滑環的典型故障主要分為以下幾類：通信故障、編碼器故障、環道燒毀等，以下分別從滑環結構、工藝、維護等方面分析問題的主要原因。

　　1.通信故障

　　通信故障是一類較常見的故障，而其問題的根本原因是刷針與環道的接觸不良，從而影響信號的傳輸。從問題本質上分析，主要分為二類：一類為滑環自身缺陷，導致接觸不良。二類為未及時維護導致接觸不良。

　　(1)滑環結構、工藝缺陷導致刷針與環道接觸不良

　　對故障滑環進行拆解，發現該品牌滑環在結構、工藝上存在以下缺陷：

　　a)該品牌滑環早期產品支撐桿防腐能力不夠，支撐桿銹蝕脫落，污染環道，造成接觸不良。

　　b)電刷與導電環的材質不耐磨，刷針磨損斷裂造成接觸不良，摩損產生粉塵污染環道，粉塵堆積造成接觸電阻增大，同時破壞滑道表面光潔度，使金針彎曲、跳動，造成瞬間斷開，甚至造成短路，同時使滑環絕緣性能降低，從而導致風電機組發生通信故障或環道燒毀。

　　c)電刷彈力疲勞，電刷刷壓無法保證而引起的接觸不良，造成打火現象對銅環表面燒損，嚴重時會燒斷刷絲。

　　d)環道不同心，導致刷針接觸不良或異常磨損，從故障件的拆解情況看，發現該品牌滑環主軸為塑料材質，存在鋼度不夠，容易斷裂，不能保證環道的同心度，易造成接觸不良等隱患，以至出現通信故障(見圖4滑環主軸)。

　　e)滑環防護等級不夠，外界的粉塵、水汽、油霧進入滑環內部，污染環道，導致接觸不良。同時使滑環絕緣性能降低，擊穿而燒損。

　　(2)維護不當導致刷針與環道接觸不良

　　從故障統計情況看，風場反饋為通信故障的滑環，約占15.5%的滑環經供應商檢測無故障，經對滑環進行清潔潤滑后，滑環功能正常，主要考慮為維護不及時，從行業內滑環的技術來分析，無論采用哪種技術方案，都屬于滑動接觸的范疇，必然會發生摩損，產生粉末，只是不同品牌的滑環磨損程度不同，需要通過定期清潔與潤滑來提高滑環的可靠性及壽命，如果未及時清理，磨損產生的粉塵，在滑道表面堆積，在旋轉過程中，金針遇到粉塵點時產生跳動，出現接觸的不可靠，傳輸閃斷，信息傳輸不穩定，以至出現通信故障。

　　2.環道燒毀

　　通過對故障件的拆解分析，造成環道燒毀主要有以下幾類因素：

　　(1)電氣工藝缺陷:焊接工藝差，存在線芯外露,焊點存在尖銳,造成電氣間隙過小，擊穿燒毀(如圖5 滑環PCB板焊接);

　　(2)滑環存在1.1中所述的結構、工藝缺陷，導致燒毀;

　　(3)雷擊燒毀。

　　3.編碼器故障

　　(1)該品牌滑環編碼器固定在塑料主軸未端，由于塑料主軸鋼度不夠容易變形導致編碼器運行在晃動狀態，同時碼器聯軸器結構不合理，連接柔性不夠，在不同心的情況下，造成編碼器損壞。

　　(2)編碼器自身質量問題。

　　四、滑環關鍵性能指標

　　接觸電阻：接觸電阻是影響滑環性能的關鍵參數，如果導電滑環的接觸電阻過大,接觸處的溫度會升高很多, 甚至會引起刷絲和滑環的熔焊,影響信息傳輸效果。接觸電阻大小主要受磨擦副材料的選擇，摩擦副結構形式、刷針與環道之間接觸壓力等因素的影響，刷針與環道之間接觸壓力越大接觸電阻越小，但過大的壓力也會造成電刷與電環磨損加劇，需將壓力控制在一定范圍內，達到接觸電阻與耐摩擦的平衡點。

　　絕緣、耐壓性能：導電滑環的絕緣、耐壓性能要好，以免被擊穿，造成滑環燒毀，根據相關標準，環間及對地絕緣電阻要大于500MΩ。

　　導電滑環的抗干擾性：由于滑環環間距離很近，有大電流也有小電流的信號，信號傳輸過程中產生的干擾有靜電感應耦合，磁場感應耦合和電磁感應耦合，各種信息在傳輸過程中互相產生干擾，各種干擾嚴重影響信息傳輸的精度。

　　滑環的密封性：如果滑環外殼的密封性不好，外界的灰塵與油污就會污染環道與電刷，影響接觸穩定性與絕緣，從而影響滑環的性能。

　　五、滑環質量控制點探討

　　根據前述的滑環故障分析及關鍵性能指標分析,對于滑環產品質量控制上,主要從滑環結構工藝特點潛在失效模式進行預防控制，對滑環的型式試驗與例行試驗情況進行確認，定期對風場運行中的滑環進行維護,確保滑環的性能可靠，同時提升滑環的使用壽命。

　　(一)滑環結構、工藝評審與控制

　　在滑環方案評審、FAI階段，對滑環的結構與工藝從下幾個方面進行評審與控制：

　　(1)主軸的材質、強度：主軸的材質強度關系到滑環主軸在運轉過程中是否存在變形情況，從而造成刷針與環道接觸不良及異常磨損的情況;

　　(2)編碼器安裝位置及聯軸器的結構：編碼器安裝位置是否存在晃動情況，聯軸器結構連接方式是否合適;

　　(3)滑環的密封：是否會存在密封不良的情況，如果密封不良，將會造成外部空間的灰塵、水氣侵入到滑環內部，造成滑環環道光潔度不達標，絕緣下降而燒毀;

　　(4)滑環內部結構件的防腐能力;

　　(5)滑環布線情況： 滑環內部所使用電纜線徑、電壓等級是否符合要求，導線絕緣層有無損壞，過線尖銳處有無保護(如使用纏繞軟管等);低壓電纜、高壓電纜布線是否分開布置;

　　(6) PCB板焊接是否焊點牢靠無虛焊，無雜渣及灰塵，無線芯外露;

　　(7)刷絲與導電環裝配情況及環道表面的光潔度;

　　(8)刷針及環道材質，接觸面的接觸形式，對材料的要求是材料導熱性能好, 熔點高, 導電率高, 電阻溫度系數小，具有抗硫化、抗氧化、抗腐蝕性氣體等特性;

　　(9)轉動滑環轉子時應無軸向或徑向的竄動，無卡死、噪聲等現象。

　　(二)滑環的型式試驗與例行試驗要求

　　滑環FAI評審及來料的驗收時，可按照中車株洲電力機車研究所有限公司企業標準Q/TF 174-2016《風電機組導電滑環通用驗收技術要求》進行相關型式、例行試驗，如編碼器功能測試、通信數據傳輸測試、靜態接觸電阻測試、動態接觸電阻變化量測試、絕緣電阻、耐壓試驗、防護等級試驗、振動試驗、鹽霧試驗、高溫試驗等，以確保滑環性能的可靠性。

　　(三)制訂維護計劃，定期對滑環進行維護

　　滑環正常運行過程中會產生摩損，產生粉未，需要通過定期清潔與潤滑來提高滑環的可靠性及壽命。維護時,對于滑環清洗劑與潤滑劑的選擇有以下要求：

　　1. 滑環清洗劑要求

　　清洗劑能夠溶解輕油形成的油垢，溶解電弧形成的積碳和脂肪類污物等，有較強的揮發性能;清洗劑不能對金屬有腐蝕作用，不能使橡膠或塑料老化或脆裂。

　　2.滑環潤滑劑要求

　　(1) 滑環潤滑劑應該有較小的表面張力，能夠均勻的分布在導電環道表面，能夠減少環道與刷針接觸表面的摩擦阻力、減少磨損，防止環道和刷針的氧化、腐蝕;

　　(2)滑環潤滑劑的粘度應該對溫度變化不敏感，在-40°C的時候粘度沒有明顯增加，在80°C 的時候不揮發。

　　總之，為保證默孚龍科技滑環的的可靠運行，滑環的結構、工藝要合理，同時對滑環的關鍵性能指標進行監控，開展相關試驗以驗證。在風場運行時，需定期進行維護，以確保滑環運行在最佳狀態，提高滑環運行可靠性及壽命。