賀東，瞿安

（1.國華（錫林郭勒）新能源有限公司，內(nèi)蒙古 026000; 2.中國華電集團有限公司甘肅公司，蘭州 730300）

0 前言

上海電氣早期2MW風機發(fā)電機型號為YFSSYG500-4、功率：2100kW、轉子電流：～534A；集電環(huán)為溫州龍電產(chǎn)；碳刷為摩根MG1147碳刷。該風機已運行10年之久，現(xiàn)場運維人員發(fā)現(xiàn)碳刷一般使用不到一年就需要更換，遠遠落后于行業(yè)其它風機碳刷壽命，嚴重影響風機穩(wěn)定運行。尋找到碳刷異常磨損的原因并采取有效措施是投運的老風場十分有必要的工作。

1 碳刷異常磨損的主要因素[1]

1.1 換向器或集電環(huán)表面狀態(tài)的影響

換向器或集電環(huán)的表面狀態(tài)對電刷磨損率的影響很大。換向器或集電環(huán)的表面光潔度,關系到摩擦系數(shù)的大小；其次,在換向器或集電環(huán)的表面上有一層良好的氧化膜,造成邊界摩擦條件,對降低摩擦系數(shù),減少磨損很有好處.如果氧化膜遭到破壞,電刷的磨損將迅速增加。

1.2 彈簧壓力對電刷磨損的影響

每一種型號的電刷都有其允許的彈簧壓力。彈簧壓力,主要作用達到電刷與換向器或集電環(huán)的良好接觸，實際表現(xiàn),彈簧壓力大不好,小也不好。彈簧壓力小了,電刷與換向器或集電環(huán)的接觸不良,這樣可以降低摩擦系數(shù),減少純機械性磨損，但是,卻大大增加了電氣磨損,且易造成(加大)火花;如果彈簧壓力過大,雖然電氣磨損降低,但機械磨損增加,總的結果使電刷磨損加大。

1.3 電流的影響[2]

一般情況下,通電時電刷的磨損率要比無電流時大的多。因為電刷與換向器或集電環(huán)之間是滑動接觸,電流從面積很小的真實接觸面上通過,因而使接觸部分的溫度比電刷的平均溫度要高很多,造成多孔的碳石墨刷體升溫而氧化,使連接變?nèi)?導致接觸表面部分的碳石墨剝落到換向器或集電環(huán)上,因此使電刷的磨損加大。

1.4 偏心的影響[3]

換向器或集電環(huán)的偏心(或振擺)對電刷的磨損的影響是偏心愈大,磨損愈大。特別是金屬電刷,其磨損受偏心的影響更大,當偏心達到5/100mm以上時,電刷磨損急劇變大。因此,應嚴格控制換向器或集電環(huán)的偏心，保證較低的偏心率是非常必要的,否則,將會導致電刷摩擦表面火花加大,從而加大集電環(huán)表面電蝕現(xiàn)象?；h(huán)的侵蝕越多,侵蝕的現(xiàn)象就越嚴重,進而,運行中的電刷破損的可能性就越大。

1.5 濕度的影響和粉塵磨損[4]

很多研究證明,石墨的潤滑性能受濕氣的影響很大。如果在真空中,石墨將失去潤滑作用,同時磨損加大.當空氣中水分很低時,將發(fā)生粉塵磨損(又稱磨料磨損)。這是因為空氣中濕度很低時,氧化膜失去潤滑作用,電刷與換向器或集電環(huán)之間的接觸面,在摩擦過程中迅速從基體上剝落下來的一些粉粒,破壞了邊界潤滑條件,變成了磨料磨損(即粉塵磨損)。當空氣中濕度低于0.3g/ m3時,通常會引起這種粉塵磨損過程。除了濕度低以外,其他有害氣體和粉塵對電刷磨損也有影響。

2 上海電氣2MW風機碳刷異常磨損理論分析[5]

鑒于該批次風力發(fā)電機普遍存在碳刷異常磨損情況，現(xiàn)場通過勘察集電環(huán)、刷架等情況，排除產(chǎn)品質量問題，依據(jù)影響碳刷壽命的相關因素，現(xiàn)場把問題鎖定電流對碳刷壽命的影響上?，F(xiàn)場通過調研發(fā)現(xiàn)碳刷運行電流密度對碳刷運行時的溫度影響較大，進而影響其使用壽命。 風電場使用摩根MG1147碳刷，查詢該型號碳刷資料，其長期運行電流密度范圍為12-18A/cm2, 而其最佳運行電密則為13-15A/cm2左右 ，查詢風電場發(fā)電機銘牌，其轉子額定電流534A，按照原設計每相4只碳刷配置，則單只電刷的運行電密為 534A/4/(2cmx4cm)=16.7A/cm2,接近電流密度運行范圍的上限。通過理論分析，如果風場風力資源較好，長時間滿發(fā)，碳刷長時間在該工況下運行，則碳刷壽命會相對較短（大概一年左右）。

如改為每相配置5只，則電密為13.4A/cm2， 處于碳刷最佳運行電密范圍， 應能使電刷運行時的溫度更合理，不因過熱或過冷導致壽命降低。通過摩根碳刷廠家官方預測，碳刷使用壽命可提升至18個月以上。

3 上海電氣2MW風機單項碳刷數(shù)量由原來4支變更為5支試驗比對

為了驗證碳刷數(shù)量由原來4支變更為5支后，能有效提升碳刷壽命，需要開展相關試驗，通過數(shù)據(jù)比對佐證理論的可靠性。

從該風電場選取一臺風機將刷架更換為可插入5支碳刷的刷架，具體圖1，從圖中可以看出，刷架每項最多可以安裝6支碳刷，為了驗證效果本次只需要安裝5支碳刷；

圖1 5支碳刷的刷架Fig.1 Five carbon brush holders

從該風電任意選定1臺風機，不改變原設計，仍然只安裝4支碳刷，只是和如上樣機同期更換相同品牌的碳刷。

3.1 改造預計效果

1）碳刷運行溫度較現(xiàn)有方案下降，改善集電環(huán)刷架等絕緣部件的老化壽命 。

2）有效降低碳刷磨損速度、延長碳刷壽命（預期18個月以上)。

3）有效減少單位時間內(nèi)產(chǎn)生的碳粉數(shù)量，減少對集電環(huán)、刷架的污染，減少爬電、擊穿的概率。

4）因碳粉的減少，潛在可以延長碳粉清理周期或是減少單次碳粉清理的難度和工作量 。

3.2 半年后改造效果對比

2020年1月上旬對6#風機進行了集電環(huán)系統(tǒng)改造并穩(wěn)定運行至今,同期將該風電場16#風機碳刷進行換新，2020年05月11日對該風機集電環(huán)系統(tǒng)運行狀態(tài)進行了系統(tǒng)檢查,具體報告如下：

改造的風機電刷底部鏡面比較均勻,表面光滑,無打火或拉槽現(xiàn)象，電刷表面刷辨無破損,鉚釘顏色正常無高溫變色現(xiàn)象 ，如圖2。

圖2 改造的風機電刷底部Fig.2 Modified fan brush bottom

表1 刀具物理、力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of cutting tools

以上是試運行4個月數(shù)據(jù)對比,通過數(shù)據(jù)可以看出，更換為單項5支碳刷的風機其碳刷磨耗較小,耐磨性能更優(yōu),電刷使用壽命可以提升10%左右。兩臺風機除轉子碳刷數(shù)量不一樣之外，其它工況均一樣，可以看出碳刷數(shù)量會影響碳刷電流密度，電流密度的大小會直接影響碳刷壽命，合理的碳刷配置數(shù)量是提升碳刷壽命的一個關鍵因素。通過該試驗基本可以肯定，上海電氣2MW風機轉子碳刷配置單項5支的方案要優(yōu)于4支的方案，后期投運的風機可參考。

4 結語

上海電氣2MW風機集電環(huán)碳刷數(shù)量少（原設計每項4支）是造成風機碳刷異常磨損的主要原因之一，為了降低碳刷磨損率，提升機組可靠性，可將碳刷每項改為5支，以此來保證碳刷工作在最優(yōu)工作模式并以此來提升碳刷使用壽命，保證風力發(fā)電機可靠運行。