风电滑环典型故障分析及质量控制

发布日期：2022-06-24

　　基于对风电滑环故障信息的统计与对故障滑环的拆解,分析故障的主要原因,根据分析情况对滑环质量控制点进行探讨。

　　风电滑环是用于风电机组的机舱和轮毂之间传输电能动力和电气信号的装置,包含两个相对旋转的部分：转子和定子;滑环是风电机组的关键电气部件，其运行的可靠性好坏直接影响风电机组的安全运行;风电滑环可靠性提升是风电机组提升整体性能必须攻克的技术瓶颈。

　　一、风电滑环结构

　　风电滑环主要由滑环体、电刷组件、导电环、绝缘材料、轴承、电刷固定支架、防尘罩及其他辅助件等组成。电刷采用贵金属合金材料，与导电环环槽对称接触，借助电刷的弹性压力与导电环环槽滑动接触来传递信号及电流。电刷是滑环的关键部件，根据电刷材质，可以分为以下几种：

　　(1)复合电刷:一般采用碳刷、铜刷、银/石墨/二硫化钼的刷块等形式。该种电刷的特点为：优先磨损刷块，延长了电刷的使用周期，但产生较多的粉未状磨屑，需要定期清理，以免绝缘下降而击穿，对湿度非常敏感，若相对湿度低于15%或高于80%，会加速磨损造成磨损不均;

　　(2)单丝金属电刷:采用贵金属合金单丝，如AuNi9等。该种电刷的特点为：相对于复合电刷，磨屑少，容量高，载流能力有限，润滑要求较高，触点需要充分润滑;

　　(3)纤维刷:运用与单丝电刷类似的贵金属材料的金属纤维，并将多条金属纤维捆扎成致密的多纤维电刷，在导电环上外镀贵金属，防止触点氧化。该种电刷的特点为：以极少的接触力，降低磨损速度，纤维刷导电性较好，电流密度高。

　　二、风电滑环典型故障分析

　　(一)滑环故障统计

　　根据风电机组的型号，滑环可分为1.5/1.65MW滑环与2MW滑环，1.5/1.65MW滑环安装在轮毂侧，2MW滑环安装在机舱侧，轮毂滑环工况相对于机舱滑环工况恶劣，轮毂要比机舱振动更加频繁，此为1.5/1.65MW滑环故障率偏高的重要因素,从风场的反馈情况看,故障现象主要表现为通信故障,环道烧毁,编码器故障等;以下对476件返修滑环检测情况进行统计，滑环故障部分主要分布以下几类。

　　(二)滑环的典型故障分析

　　根据风场反馈的故障现象，滑环的典型故障主要分为以下几类：通信故障、编码器故障、环道烧毁等，以下分别从滑环结构、工艺、维护等方面分析问题的主要原因。

　　1.通信故障

　　通信故障是一类较常见的故障，而其问题的根本原因是刷针与环道的接触不良，从而影响信号的传输。从问题本质上分析，主要分为二类：一类为滑环自身缺陷，导致接触不良。二类为未及时维护导致接触不良。

　　(1)滑环结构、工艺缺陷导致刷针与环道接触不良

　　对故障滑环进行拆解，发现该品牌滑环在结构、工艺上存在以下缺陷：

　　a)该品牌滑环早期产品支撑杆防腐能力不够，支撑杆锈蚀脱落，污染环道，造成接触不良。

　　b)电刷与导电环的材质不耐磨，刷针磨损断裂造成接触不良，摩损产生粉尘污染环道，粉尘堆积造成接触电阻增大，同时破坏滑道表面光洁度，使金针弯曲、跳动，造成瞬间断开，甚至造成短路，同时使滑环绝缘性能降低，从而导致风电机组发生通信故障或环道烧毁。

　　c)电刷弹力疲劳，电刷刷压无法保证而引起的接触不良，造成打火现象对铜环表面烧损，严重时会烧断刷丝。

　　d)环道不同心，导致刷针接触不良或异常磨损，从故障件的拆解情况看，发现该品牌滑环主轴为塑料材质，存在钢度不够，容易断裂，不能保证环道的同心度，易造成接触不良等隐患，以至出现通信故障(见图4滑环主轴)。

　　e)滑环防护等级不够，外界的粉尘、水汽、油雾进入滑环内部，污染环道，导致接触不良。同时使滑环绝缘性能降低，击穿而烧损。

　　(2)维护不当导致刷针与环道接触不良

　　从故障统计情况看，风场反馈为通信故障的滑环，约占15.5%的滑环经供应商检测无故障，经对滑环进行清洁润滑后，滑环功能正常，主要考虑为维护不及时，从行业内滑环的技术来分析，无论采用哪种技术方案，都属于滑动接触的范畴，必然会发生摩损，产生粉末，只是不同品牌的滑环磨损程度不同，需要通过定期清洁与润滑来提高滑环的可靠性及寿命，如果未及时清理，磨损产生的粉尘，在滑道表面堆积，在旋转过程中，金针遇到粉尘点时产生跳动，出现接触的不可靠，传输闪断，信息传输不稳定，以至出现通信故障。

　　2.环道烧毁

　　通过对故障件的拆解分析，造成环道烧毁主要有以下几类因素：

　　(1)电气工艺缺陷:焊接工艺差，存在线芯外露,焊点存在尖锐,造成电气间隙过小，击穿烧毁(如图5 滑环PCB板焊接);

　　(2)滑环存在1.1中所述的结构、工艺缺陷，导致烧毁;

　　(3)雷击烧毁。

　　3.编码器故障

　　(1)该品牌滑环编码器固定在塑料主轴未端，由于塑料主轴钢度不够容易变形导致编码器运行在晃动状态，同时码器联轴器结构不合理，连接柔性不够，在不同心的情况下，造成编码器损坏。

　　(2)编码器自身质量问题。

　　四、滑环关键性能指标

　　接触电阻：接触电阻是影响滑环性能的关键参数，如果导电滑环的接触电阻过大,接触处的温度会升高很多, 甚至会引起刷丝和滑环的熔焊,影响信息传输效果。接触电阻大小主要受磨擦副材料的选择，摩擦副结构形式、刷针与环道之间接触压力等因素的影响，刷针与环道之间接触压力越大接触电阻越小，但过大的压力也会造成电刷与电环磨损加剧，需将压力控制在一定范围内，达到接触电阻与耐摩擦的平衡点。

　　绝缘、耐压性能：导电滑环的绝缘、耐压性能要好，以免被击穿，造成滑环烧毁，根据相关标准，环间及对地绝缘电阻要大于500MΩ。

　　导电滑环的抗干扰性：由于滑环环间距离很近，有大电流也有小电流的信号，信号传输过程中产生的干扰有静电感应耦合，磁场感应耦合和电磁感应耦合，各种信息在传输过程中互相产生干扰，各种干扰严重影响信息传输的精度。

　　滑环的密封性：如果滑环外壳的密封性不好，外界的灰尘与油污就会污染环道与电刷，影响接触稳定性与绝缘，从而影响滑环的性能。

　　五、滑环质量控制点探讨

　　根据前述的滑环故障分析及关键性能指标分析,对于滑环产品质量控制上,主要从滑环结构工艺特点潜在失效模式进行预防控制，对滑环的型式试验与例行试验情况进行确认，定期对风场运行中的滑环进行维护,确保滑环的性能可靠，同时提升滑环的使用寿命。

　　(一)滑环结构、工艺评审与控制

　　在滑环方案评审、FAI阶段，对滑环的结构与工艺从下几个方面进行评审与控制：

　　(1)主轴的材质、强度：主轴的材质强度关系到滑环主轴在运转过程中是否存在变形情况，从而造成刷针与环道接触不良及异常磨损的情况;

　　(2)编码器安装位置及联轴器的结构：编码器安装位置是否存在晃动情况，联轴器结构连接方式是否合适;

　　(3)滑环的密封：是否会存在密封不良的情况，如果密封不良，将会造成外部空间的灰尘、水气侵入到滑环内部，造成滑环环道光洁度不达标，绝缘下降而烧毁;

　　(4)滑环内部结构件的防腐能力;

　　(5)滑环布线情况： 滑环内部所使用电缆线径、电压等级是否符合要求，导线绝缘层有无损坏，过线尖锐处有无保护(如使用缠绕软管等);低压电缆、高压电缆布线是否分开布置;

　　(6) PCB板焊接是否焊点牢靠无虚焊，无杂渣及灰尘，无线芯外露;

　　(7)刷丝与导电环装配情况及环道表面的光洁度;

　　(8)刷针及环道材质，接触面的接触形式，对材料的要求是材料导热性能好, 熔点高, 导电率高, 电阻温度系数小，具有抗硫化、抗氧化、抗腐蚀性气体等特性;

　　(9)转动滑环转子时应无轴向或径向的窜动，无卡死、噪声等现象。

　　(二)滑环的型式试验与例行试验要求

　　滑环FAI评审及来料的验收时，可按照中车株洲电力机车研究所有限公司企业标准Q/TF 174-2016《风电机组导电滑环通用验收技术要求》进行相关型式、例行试验，如编码器功能测试、通信数据传输测试、静态接触电阻测试、动态接触电阻变化量测试、绝缘电阻、耐压试验、防护等级试验、振动试验、盐雾试验、高温试验等，以确保滑环性能的可靠性。

　　(三)制订维护计划，定期对滑环进行维护

　　滑环正常运行过程中会产生摩损，产生粉未，需要通过定期清洁与润滑来提高滑环的可靠性及寿命。维护时,对于滑环清洗剂与润滑剂的选择有以下要求：

　　1. 滑环清洗剂要求

　　清洗剂能够溶解轻油形成的油垢，溶解电弧形成的积碳和脂肪类污物等，有较强的挥发性能;清洗剂不能对金属有腐蚀作用，不能使橡胶或塑料老化或脆裂。

　　2.滑环润滑剂要求

　　(1) 滑环润滑剂应该有较小的表面张力，能够均匀的分布在导电环道表面，能够减少环道与刷针接触表面的摩擦阻力、减少磨损，防止环道和刷针的氧化、腐蚀;

　　(2)滑环润滑剂的粘度应该对温度变化不敏感，在-40°C的时候粘度没有明显增加，在80°C 的时候不挥发。

　　总之，为保证默孚龙科技滑环的的可靠运行，滑环的结构、工艺要合理，同时对滑环的关键性能指标进行监控，开展相关试验以验证。在风场运行时，需定期进行维护，以确保滑环运行在最佳状态，提高滑环运行可靠性及寿命。