关于利用滑环技术提升风力发电机效力技术探究

关于利用滑环技术提升风力发电机效力技术探究

陈佳旭,田阳

吉林中广核风力发电有限公司 （吉林 长春 130022）

摘要：在风力发电系统中，滑环作为一个体形虽小，作用极大的产品，并且在风力发电机的总成本中只占据了微不足道的一小部分，但其对整个风机的运行起着十分关键的作用。风电机组的电气滑环是负责轮毂变桨系统供电、传输控制信号和数据的功能，其使用的寿命，运行和可靠性、准确性和抗干扰性都将直接影响风机发电机组的性能。

关键词：风力发电；滑环技术；发电效率

引言

滑环安装于整个风力发电机的机舱罩中，其通常作用是为变桨功率和控制提供所需的电气信号以及足够的能量，也就是通过旋转接口输送电功率和信号。在此基础上，通过运用滑环的滑动触电让滑环总成中的旋转接口传输电气信号和能量;同时接触电刷在旋转滑环上滚动，持续的在旋转过程中于接触面保持不间断接触。也就是说，为了确保正确无误的电气信号传输，滑环静止端的电刷于旋转滑环之间需要保持有“金属间的接触”。滑环线是机舱和轮毂信号连接和传输的重要部件，其耐用性、抗干扰性能、折弯能力、耐磨性、可靠性等对风机运行产生巨大影响。

1案例导入

某风电场1.5MW早期生产的东汽机组滑环线内部构成一般包括400V交流动力线、UPS电源线、滑环加热线、通信线等，这是一个强弱电信号混合、动力线通信线耦合的复杂线束。另外，由于传统的滑环线均是多根电线独立包装，通过纤维胶带等包层绞合在一起，既不耐用，又不美观，还比较杂乱。又由于中国风场所处位置分布较广泛，各地条件、气候、海拔、电网环境等各不相同，这些复杂的工况对滑环线的适应特性、抗扰能力、可靠性等有较高的要求。一般的风机是按2000米海拔以内、常温、电网质量正常等条件来设计满载参数的；对于滑环线这种高磨损性、多信号混合的线束，其线束材质、承载能力、机械电气性能等必须综合考虑、多加冗余处理。

实践表明，运行至今，滑环线束属于故障率高的部件，在环境条件恶劣的风场，特别是运行时间较长的风场，滑环线束损坏严重，造成信号传输不畅，风机停机。加上投入的人力、损失的发电量，该产品造成的经济损失影响巨大。根据上述情况，有必要选择一款抗干扰性能好、结实耐用、耐折弯耐磨损的电缆。为了方便安装、减少工序、缩短施工时间，降低更换、维护对风场发电量的影响，选择的滑环线最好接口与损坏线束吻合、美观大方、结实可靠。

2案例原因分析

传统滑环线所用主要线束如表2-1所示：

表2-1滑环线线束构成一览

由上表可以看出，滑环线一共由20多根线构成，组合复杂；强弱电信号绞合,且少有带屏蔽层。

图1滑环线线束构成实物图

图2滑环线线束外包装实物图

图1是滑环线内部构成实物图，可以看出线束较杂乱，强弱电混合在一起； 图2是外包装实物图，可以看出图1中多股线束通过缠绕带缠绕在一起，不耐磨损，也不美观。

解剖滑环线内部结构，结合风机现场工作环境，可以发现风机经常报的一些变桨故障和通讯故障都是滑环线引起的，比如通讯故障、信号丢失故障、设定值与实际值不符故障等。采用目前的滑环线，风场实际情况和存在的一些问题总结如下。

2.1快速老化

目前在用的滑环线都已经有好多年了，齿轮箱的漏油使滑环线经常泡在油污里面，此情况会导致其快速老化，线路短路等问题。

2.2磨损严重

由于风机的实际运行工况，晃动较厉害，此情况导致线缆的保护层磨损严重。在实际使用过程中，轻微的磨坏外面的屏蔽层将导致干扰过大，会经常出现通讯故障。严重的磨损将引起滑环线对地短路，烧坏相关元器件。

2.3冗余不足

滑环线内部的备用线不够，如果某单根线磨损失效，整根滑环线都将失 效，必须整套更换。

2.4功能失效

原来的滑环线是单股线通过胶带绑到一起，绞合杂乱，不防干扰，线束外包装也不能耐高低温和抗腐蚀性，对风场的磨损拉扯不能有效应对，且线束太多，容易缠绕。

2.5维护困难

因为现场维护人员在更换滑环线时没有特殊的换针工具，在换线的时候都是把线从轮毂插头内剪断，换好新线再进行点对点的接头。维护繁杂，加大工作量的同时也容易失误，且线束损耗严重。

早期的滑环线除去上述缺点外，在很多风场也已经到使用年限，由滑环线引起的故障越来越多，不仅增加了风机的维护工作量，也对发电效率产生负面影响, 降低了风机效益。如果直接采取更换原有滑环线的方式，虽然可以暂时解决老的滑环线产生的问题，但由于二者构成相同，性能相似，经过一定时间的工作，在可以预见的范围内，将产生同样的问题，循环往复。

3专项检修方案

滑环线除线材选材有特别要求外，在结构设计上兼顾实用、强弱电抗扰性、耐用性、美观大方性等诸多特点，将400V动力线、其他电源动力线、 信号线、通信线等线缆根据功能和强弱电特性的不同，分别成束，既做到功能清晰明了，又能达到不同耐压等级线束间的抗干扰性效果。

线缆截面设计如图3所示，其线缆结构还可根据机组不同更改定制。

图3 滑环线设计一览

动力线、信号线、通信线均应采用国外品牌，外包材结实耐用, 其主要特点如表2-1所示。

表2-1新产品应具备的性能

改造后滑环线针对传统滑环线的问题处理如下:

表2-2 线缆处理问题一览

4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。

4.1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。

4.2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。

4.3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℃的时候粘度没有明显增加，在80℃的时候不挥发。

5结束语

总之，为保证滑环的的可靠运行，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。

参考文献

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[3]孟楠,葛俊,杨新户.风力发电机组变桨滑环常见故障及原因分析[J].现代制造技术与装备,2020,56(08):134-135.

作者简介：陈佳旭，1986年12月出生，男，汉族，吉林白城人，本科学历，研究方向：风力发电厂运行及检修