技术交流|滑环故障分析及优化方案
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技术交流|滑环故障分析及优化方案
引言滑环为风力发电机组变桨系统提供动力电源，并负责控制系统和变桨系统的通讯数据传输和安全链信号的连接。虽然滑环在整个风力发电机组中所占整机价值比例非常低，但是滑环整体性能、可靠性及工作寿命却会直接影响整机的性能和可靠性。由于早期滑环的原始设计缺陷和后期维护等各方面问题导致滑环造成的故障越来越多，给风电场造成了较大的经济损失。本文以某型号滑环故障大量引发变桨安全链信号断开问题进行分析并提出优化升级方案，并制定该型号滑环的中长期维护计划，以最经济的方式增加机组稳定性，减少机组故障停机时间和备件更换成本，提高风电场经济效益。随着我国风电行业的持续快速发展，据中国风能协会（CWEA）资料数据显示，截止到 2015 年底，我国风电累计装机容量已达1.45亿千瓦，累计装机台数 92981 台，年发电量 1863 亿千瓦时，占全部发电量的3.3%，风力发电已经成为我国第一大新能源发电技术。然而由于风电发展前期市场竞争非常剧烈，各主机厂商设备供应价格不断降低，同时国外公司的技术垄断以及采购规范等问题，导致我国大量风电机组设备采购价格和质量不断下降，机组在运行过程中出现大量问题，机组更换备件成本居高不下，某风电场 2015年故障统计结果如图1和图2所示。从图 1和图2可以看出，变桨故障和安全链故障次数占据风场全部故障次数的 67.18%，故障时间占总故障时间的67%，而在变桨及安全链故障中，大部分又是由于机组滑环故障引起的。因此，针对滑环引起的故障进行优化升级并制定滑环的后期维护计划对于风电机组的稳定性及提高风电场经济效益就显得至关重要。本文基于已有风场数据及故障信息资料，首先分析国内风场滑环运行及维护现状，针对该风场滑环故障提出技改方案，并对滑环中长期维护策略进行探讨并制定出详细方案。&图 1 某风电场 2015年故障次数统计图 2 某风电场 2015年故障时间统计1.滑环发展及维护现状根据我国各大主机厂商的市场份额及各自的技术类型统计，我国风电机组使用电动变桨系统份额高达79%，据此估算我国现阶段运行机组滑环占有量高达六万五千台左右。而且随着我国风电装机容量以20%～30%的速度增长，预计很长一段时间内我国的风电滑环都将保持高速增长。由于技术壁垒和垄断，我国早期风电机组中所使用滑环大部分从国外进口，随着国内不断引进并吸收国外滑环先进设计和生产技术，目前国内一些企业已经具备生产出高性能优质滑环的技术实力。相关国内各风电机组滑环使用情况调查研究表明，国产滑环实际运行中的表现已经完全可以和进口滑环相媲美，同时国产滑环在价格、售后服务质量等方面完全超越进口滑环，而且国内滑环生产企业已经能够针对缺陷滑环提供不同的升级产品和服务解决方案。因此，我国风电滑环市场将向国产滑环逐步替代进口滑环并占据市场主导地位过渡。通过调查发现目前国内大量风电场在运行两年以后滑环会集中出现大量故障，主要表现为滑环密封性能不足导致轴承进入橡胶粉末卡死轴承以及滑道污染严重导致变桨安全链信号闪断，给机组运行带来严峻考验。由于进口滑环厂家并不提供五年质保期的免维护服务，而现场运维人员又对滑环维护缺乏必要的了解和专业维护技术以及必要的工具、备件，导致滑环出现问题后无法得到有效的维护，所以很多风电场都是对滑环进行简单的清洗，由于没有专用润滑油，滑道和电刷无法进行有效的润滑，而这又会进一步加速滑环的老化。&2.滑环故障原因分析新疆某风电场装机总量为98MW，于2012 年建设并投入运行。该风场机组均使用德国的滑环产品。2015年 4月份起，该风电场大量机组报出安全链继电器2故障，现场通过中控室对安全链进行复位后机组恢复正常，再次启动机组后仍然频报出该故障。通过机组监控软件录取故障波形发现安全链继电器2故障主要原因为安全链继电器2回路 24V 信号断开约20～100ms，从而引发PLC模块检测信号丢失，机组报出安全链继电器2故障，而机组安全链继电器2实际并未断开，初步判断为滑环电刷振动导致安全链信号瞬时断开触发主控故障，如图3所示。&图3 安全链故障波形&随后通过拆卸滑环进行检查发现，导电环道内有大量的橡胶粉末污染；电刷弹力下降导致转子转动时电刷振动大，信号传输易中断；转动转子极其困难，拆卸轴承发现轴承内部进入大量橡胶粉末污染物，轴承内无润滑油脂。上述问题表明该型号滑环设计存在重大缺陷，滑环机械密封性能无法满足要求，导致轴承及转子污染严重。由于该风场所使用滑环采购时并未提供技术和维护服务，所以无法得到厂家的质保维护。&3.滑环故障优化解决方案设计考虑该风场滑环大量出现故障，导致机组故障频发，首要的目标是通过技改提高滑环稳定性，通过加强维护来提高滑环使用寿命。3.1控制系统电路改进通过安全链继电器2故障波形看出，故障主要原因是由于振动导致滑环定子电刷跳动，而安全链继电器2输入PLC信号来自于安全链2主回路上，所以在安全链信号环道上电刷跳动时，会引起安全链信号断开，如图4所示。&图 4 安全链继电器2电路图从图中看出，PLC监控安全链继电器2 OK信号来自于安全链2信号回路 N1#34 输入点，如果滑环故障导致回路短时间断开，则主控安全链信号也会随之断开，但是安全链继电器2并未断开。也就是说，主控是实时监控安全链回路信号的，但是由于继电器的动作时间比信号中断时间长，安全链继电器 K65.6并未动作。为了解决上述问题，我们可以增加一个二级继电器 K65.8 来实现信号隔离，并通过 K65.6 的辅助触点控制 K65.8继电器，同时将 PLC监控安全链继电器2 OK 信号接至K65.8继电器上端，如图5所示。图 5 安全链继电器2改进方案电路&这样，即使安全链信号出现闪断，由于其信号闪断时间小于继电器的断开动作时间，只要 K65.6继电器未动作，PLC安全链输入信号就不会出现中断。一般电磁继电器的断开动作时间为 0.3～0.5S之间，这样通过改进电路，可以有效避免信号闪断引起的故障。&3.２增加电刷触点数量该滑环预留了一个四通道备用信号通道，目前在机组中并未使用，为了提高安全链信号可靠性，可以将备用信号线和安全链信号线合并使用，通过这种方式增加安全链信号的电气触点数量，将原来单槽双电刷结构改为双槽四电刷结构，进一步提高了信号的稳定性。4.滑环长期维护策略由于目前我国弃风限电现象比较严重，风场年度经济效益并不乐观，如果在滑环出现故障就更换新的滑环，这样将会进一步给风电场经济效益带来负面影响，该风电场滑环在机组运行两年后滑环就集中爆发大量故障，一部分是由于滑环设计存在缺陷导致，一部分是由于滑环制造材料性能不够导致质量下降造成的。因此需要就该风电场滑环中长期维护制定相应计划。&4.1备件采购该风电场有 50台机组，针对滑环现阶段运行情况，建议采购 2～5个滑环现场备用。目前，国内滑环制造企业已经可以提供性价比很高的产品，并提供老旧滑环的升级和替代产品，建议采购国产滑环替代进口滑环。同时，建议采购一定数量的滑环备件和维护工具及物料，如无水酒精、软毛刷、热风枪、电缆哈丁接头，以方便后期维护使用。4.２缺陷整改由于该型号滑环存在设计缺陷，现场需要对这些缺陷制定相应整改措施并尽快实施。针对滑环密封性能不够，导致通心轴内部粉尘大量进入滑环内部，可以在通心轴PVC管处增加一级密封，保证污染物被有效隔离， 这样可以避免滑环轴承及导电环道和电刷污染。 针对轴承出厂未进行润滑问题， 建议将1～2台机组该型号滑环使用备件进行替换，对替换下来的滑环进行整体维护，对轴承清洗并使用油脂润滑，然后再进行更换并交替维护，这样既不影响机组的运行，维护也可以正常进行。&4.３定期维护滑环的定期维护和机组定期维护时间应该同步，一般为半年进行一次。同时，频繁的清洗滑环可能会对滑环使用寿命有一定影响，建议在定期维护时对滑环导电环道进行检查，并视情况决定是否维护；清洗时严禁使用油基清洗剂以防对环道和电刷腐蚀；清洗时禁止拆卸电路板，清洗完使用热风枪烘干，对每个导电环道滴入一滴润滑油。4.４优化升级该型号滑环是国内某公司代理德国产品，其产品在国内售后服务价格相对较高；同时，由于国内代理商独家垄断，从市场上采购该滑环的电刷备件必须通过该公司，而该公司给出的报价居高不下，购买一台滑环的备件数量的价格已经接近购买一台新滑环的价格。通过调查研究，目前我国风电滑环主要采用两种结构的滑环：硬金环/合金电刷结构和银铜合金环/碳纤维电刷结构。而该型号滑环是采用的硬金环/合金电刷结构设计的。随着材料技术的发展，目前国内滑环企业大多采用银铜合金环/纤维刷结构，制造成本相对较低。因此可以通过寻找第三方滑环公司在后期需要更换电刷时将硬金环/合金电刷结构更换为银铜合金环/纤维刷结构，采用这种更换滑环方案价格较为合理，大约为单台滑环价格的六分之一左右，这样可以大幅降低滑环后期的维护成本。&5.结语通过对滑环故障进行深入分析，对控制系统电路改进、增加安全链信号导电环道电刷数量，该风场滑环故障得到有效控制，故障次数大幅减少。所制定的滑环后期维护计划，可有效提高滑环使用寿命，并在滑环电刷和导电环道的备件更换方案上大幅减少维护费用，具有很高的经济性和实用性。【文章来源：《中国风电后市场专题研讨会论文集》，作者简介：柯剑，男，1988年生，工程师，风电场项目经理，主要从事风力发电技术工作，研究方向为老旧风场控制系统及设备设计缺陷的技改和优化。】
喜欢该文的人也喜欢风电机组电气滑环接触不良问题的解决方案研究--《现代国企研究》2016年12期
风电机组电气滑环接触不良问题的解决方案研究
【摘要】：为了有效解决风电机组电气滑环接触不良现象导致变桨系统和主控系统间形成中断信号的问题,此时需要在变桨和主控系统中应用无线通信技术以及单片机,密切联系变桨系统、主控系统以及单片机,提出依据上述两种技术建立的无线接收和发射设备,来达到无线传输变桨系统或者主控系统信号的目的。
【作者单位】：
【分类号】：TM315;TM307
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风电机组滑环清洗与维护
&&来源：云上的未来&&日期：
注意：在打开外壳之前，应先断电，并确认完成工作装好外壳以后才能再次通电;每次维护完成后都要对滑环所有螺栓(含滑环与中空轴连接部分)进行力矩检查并作防松标记!
a) 检查电刷及滑道的润滑
滑环体必须使用专用润滑。如果没有油膜，必须用不掉纤维的布擦干净，然后喷。整个滑道应该被油湿润，使得在电刷上形成油滴。
注意：滑动道上或电刷上不得有纤维或粗颗粒。杂物会把电刷抬起，引起传输中断，甚至导致电刷打火而使滑环损坏。
b) 电刷和电刷板更换
损坏的电刷板，损坏或者变蓝的电刷都必须更换。
电刷的更换：把电刷从电刷装置中取出，用新的取代。
电刷板的更换：松开端子盒中的电缆以后，板就可以拧下来。新板要装上电刷，然后调整，使电刷对中于轨道上的槽。螺钉涂抹螺纹紧固胶，并用至少7Nm的力拧紧。
更换电刷或者电刷板以后，滑环应该重新清洁并上油。
维护完成后，重新装好滑环外壳。不能有异物进入壳体里，不要有电缆被壳体压住。检查壳体上的密封件，如有必要，进行更换。
在滑环工作前，应再次检查所有连接是否正确牢固。
c) 滑环的清洗
由于滑环清洗会影响滑环的通讯质量，建议现场根据需要进行清洗，尽量减少清洗次数。
下面以基腾滑环为例说明如何清洗：
拆滑环(注意断电，断开203Q1，203F4，208F7，拆之前将滑环摆放平稳，最好避开机舱斜坡部分，可以在下面铺白布，防止摔倒损伤和灰尘进入)：
如图一所示，拆掉滑环套筒尾部的六个螺丝(内六角)，轻轻将滑环套筒取下，如图二所示。
清洗滑环：
将滑环平放，如图三所示，滑道可以完全看到。
开始清洗滑环，如图四所示向铜制滑道喷无水，边喷边转动滑环。在之后的清洗过程中，注意保持滑道的湿润，用毛刷按在滑道上同时转动滑环逐个清洗滑道。注意碳刷下是否有淤积的污渍，若有使用毛刷轻轻除去。清洗要仔细，多转动几圈。
清洗完后用热风枪烘干滑环，边吹边转动。
待滑环吹干以后逐个滑道滴加(每个滑道只滴一滴，加过多容易吸灰尘并且有可能影响通信)，滴加后转动滑环使分布均匀，也可以边滴加边转动。如图五所示
安装滑环筒：滑环筒也要用无水清洗干净。
图六左侧的密封橡胶圈是一次性的，每次拆洗滑环都要予以更换，先将旧的橡胶圈取掉并清理干净，然后换上新的橡胶圈，注意对齐螺纹孔，盖上套筒盖，用螺钉紧固，上螺丝前要涂一些密封胶，紧固时要对角拧丝上劲。
目前行业市场上滑环品牌较多，其它品牌的滑环清洗方法相类似。
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&如何提高$风电滑环%维护使用时间的可预测性
& 工程师，技术员和风机制造商的这种做法，以减少计划，以保持的风险，
考虑维护要求低，甚至可以在事先通知时，他们会失败部分。听起来有点不现实，但事实并非如
一般的风力发电滑环的寿命可达20年。但大多数的风扇保修仅是整个运行寿命的前两个五年的球迷。
与风机系统的老化，不一定所有的风电场业主都准备好风扇维修。其中一些是缺乏维修工作
为所需的技术人员。此外，即使配备了技术人员，以满足日常维护要求的风电场，计划外的维修或显著影
响风电场的收入。
&& 身体虽小，不小的作用
纤维刷滑环就是这样一款产品。虽然微不足道的总成本和风扇设计，一小部分，但的运行
起着关键的作用。滑环安装在涡轮发动机舱通常用来提供电源和控制球场，需要电信号和能量。滑环通
一个旋转接口提供电力和信号。
它的工作原理：旋转接口传输电信号和能源大会通过滑环滑环滑动接触。在刷（或抽头）
滑环的旋转滑动，并与旋转过程中保持不间断的联系。这意味着，以确保正确的电信号传输，静态
金属之间的接触，只需要刷及旋转滑环。
风机业主纤维刷滑环，至少在100万转没有需要维修的生活，这意味着，风扇工作寿命20年
技术人员只可更换一次滑环。然而，并非所有的滑环能够满足这一要求。事实上，了解滑环组件
设计和施工，以评估他们的维修需求。
占10％的市场滑环纤维刷滑环，滑环上的风扇，只需要少量的维护。多数（60％）滑
戒指是由复合金属刷，一般金属和石墨烧结导电块。这种复合金属刷滑环作为其制造商
声称有多达75万转移他的工作生活，他们也需要频繁的维护。其余30％的风力发电机滑环行五金电器
刷（通常是金子做的）。复合金属刷滑环和维修所需的单线刷滑环比纤维刷滑环。
相比，复合刷单刷金属刷滑环设计优势，第一是磨屑少，另一种是高容量的一个信号电路
。单金属刷系统也有缺点：
1）单刷相对较小规模的电流承载能力是有限的;
例如：2），大部分黄金和黄金之间的交往需要润滑，并始终保持足够的润滑很困难。
原因是：优先复合电刷设计，穿刷，以避免滑环磨损，和足够长的时间，以最大限度地刷
延长刷更换周期。在高功率和/或高可靠性滑环应用，这种材料面临的三大挑战：
穿1）导电，研磨粉的形式，需要定期清理操作中产生的碎片;
2）此刷材料是非常敏感，湿度，相对湿度低于15％或高于85％，会导致不均匀磨损;
3）当信号电平电路的使用，这些复合刷将占据很大的空间。
市场电源电路采用石墨/金属刷和信号电路使用黄金单丝刷滑环设计。在滑环
大会转速低的应用，这样的“混合使用”，是能够达到可以接受的结果。但在同一装配混“石墨/金
刷的情况下将“和”金黄金接触“风扇运转是不可靠的。石墨/金属磨屑会污染金信号触点，并产生磨料
金属粉末，尤其是在存在，会导致过早故障信号的电路接触润滑油。
纤维刷设计是一个金属丝捆绑成一个密集的多纤维刷的数量。正常情况下，这些纤维和单行集
总计相当珍贵的金属，滑环，刷运行与贵金属外镀。贵金属氧化物和审查，以防止接触
章，同时保证最小的接触力。小的接触力，降低磨损率，从而刷碎片是几乎可以忽略不计。和更
金属纤维可以提供优良的导电性和高电流密度，工程师可以使用电力的纤维刷和信号的两个电路。
&&& 做出改变
复合金属刷滑环和单刷黄金纤维刷滑环滑环更换非常简单。但是，一些球迷业主是否纤维刷
滑环，以取代现有的滑环技术犹豫不决，因为他们海港“尝试新技术，承担风险”的理念。仔细检查
多纤维刷滑环技术，他们会选择一个几乎维修配件，实际上已经淘汰的风险并不
例如，纤维内部客舱环境敏感性比其他的滑环接触低得多的球迷刷接触。保护这些纤维刷滑环反
保健房屋符合IP65（标准）防水，防尘的保护设备，包括各种标准。而且由于纤维刷接触，不需要润滑
低温和高温的承受能力，他们都很强。纤维刷设计已经被证明能适应-55°C和+80°C的温度
。和纤维刷，也可以运行在0％到100％的相对湿度（RH）。相比之下，复合电刷要求湿度15％至85％
能可靠地运行。
风力发电行业的利益相关者，很多人都知道，有许多地方是可靠性问题。现在在操作的原因导致组件
更深刻的理解。但滑环技术尽管先进的设计和性能（包括纤维刷滑环），仍是风电场行业
事实上，如果作为一个定期的风扇维修要求，更换滑环是免维护的纤维刷技术只需30分钟
完成。风扇的所有权，设计，操作和维修，纤维刷技术的发展意味着更短的时间内正常运行的风电场
计划外的维修问题。
最初，使用的大型风力涡轮机制造商是在接触金属，石墨碎片复合刷。为了解决黄金复合接触
金属粉末和碎片，制造商转向黄金接触。这些设计改进的基础上作出的纤维刷滑环。然而，在许多情况下
风电场业主仍然按照老式的滑环更换，甚至是&#8203;&#8203;改变的一年。他们还从工厂购买同样的设备。这种做法
延续了不必要的维修和更换周期。
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