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。】
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滑环的故障怎么排查？
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滑环的故障有很多种，首先需要借助专业仪器检测，确定故障位置，确认故障后拆开滑环进一步分析，建议将工艺，设计，生产人员召集一起拆开，并拍照留下可追溯性；晶沛滑环专业生产13年，在致力于打造客户需求滑环有较高经验，检测设备仪器先进，您的选择，我们的追求；
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电机检查维护及故障处理
1三相绕线式高压异步电机的检查方法
(1)高压电机定子对地绝缘值不小于IM。/kv,如6kv高压电机,定子对地绝缘值应不小于6M几,电工每半月应用2劝ov高压摇表摇测一次,记录其变化情况,如果电机阻值发生较大变化或测量值小于6MO,应对电机进行彻底检查或汁划更换。
(2)电工每月应对高压电机定子相间直流电阻用双桥进行量测,并记下电阻值,三相电阻不平衡度不能超过5%,如果超过此数值,说明电机支组线圈可能有问题,应进行彻底检查或进行计划更换。
(l)岗位或电工每天应对电机滑环、碳刷、压簧进行检查,滑环无火花,碳刷长度不小于总长度的1/3,压簧卷无损坏
(2)电工每半月应对电机转子用洲ov低压摇表摇测一次,转子对地绝缘值不小1MQ/kv,如果低于此值,应对电机进行彻底检查或进行计划更换〕
(1)清动耘承电机轴承瓦座岗位侮小时应检查温度l次,运行温度正常为翎一4()℃,4()一5()℃为异常;如果温度达到4()-5()℃,要由电工进行检查,最高温度不能超过6()℃,超过此温度应对电机进行更换,另外瓦座内油每3个月至少应更换油l次,
(2)滚动抽承电机每3个月应加油l次,德6个月应对轴承清冼1次。轴承温度在运行中不能超过7()℃,超过此温度应对电机进行检查或进行更换,
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启动电动机常见故障检查与排除
&&& 摘要：对启动电动机不转、空转和运转无力等常见故障现象做了介绍，对故障原因进行了分析，论述了故障检查与排除的方法。
&&& 启动电动机（起动机）是将的电能转化为机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的启动。其工作性能的好坏，将直接影响发动机能否启动或正常启动。启动电动机常见故障有启动电动机不转、启动电动机空转、启动电动机运转无力等。下面我们就这三种常见故障进行分析说明。
&&& 1 启动电动机不转
&&& 将点火开关旋至启动位置时，起动机不运转。
&&& 1.1故障原因
&&& ①电源与线路部分故障：电量不足；正、负极桩导线接头松动、氧化或导线断路；卡子松脱、氧化；开焊或用两个时正、负极接错；启动开关触点烧损，接触不良或接触不上；操纵杠杆调整不当。②启动继电器故障：继电器线圈绕组断路；继电器触点严重烧蚀或触点不能闭合。③起动机的故障：启动电动机整流子有污垢、烧损或磨损失圆；电刷架弹簧弹力不足、电刷过度磨损与整流子接触不良，电刷在电刷架内卡死以及搭铁不良；磁场线圈短路、断路；电枢线圈短路、断路；电枢轴弯曲或刮碰磁极，或烧损；轴套过紧或缺油；绝缘电刷搭铁；启动电动机接线错误等。
&&& 1.2故障检查与排除
&&& 先按一下喇叭，以判断和供电线路有无故障。若喇叭声小，应检查极柱是否太脏，卡子和极柱的连接是否松动。若喇叭响声正常，表明及供电线路正常。再用导线或螺丝刀短接启动开关的两个接线柱。
&&& （1）如果启动电动机转动，说明启动开关有故障，应检查启动开关接触部分，看触头是否清洁、接触是否良好；机械驱动装置的操纵杠杆、滑环、单向接合器等是否卡住或连接螺钉调整不当。对于电磁开关起动机，先闭合启动开关，看电磁启动开关是否吸合。如不吸合，需进一步检查启动开关接触情况及各连接导线是否短路。电磁开关吸引两补助线圈断路或短路，可以从启动开关开始，逐点用火花法试验检查。若电磁开关吸合而不启动，则故障在电磁开关接触部分。
&&& （2）如果启动电动机不转动，可根据短接时的火花情况分析判断：一是无火花或火花弱小，则表明起动机断路或接触不良。二是有强火花而不启动时，应先拨动启动电动机的转子，看其能否自由转动。不能转动或转动不灵活，一般为启动电动机机械故障。
&&& （3）转子能灵活转动，启动电动机不启动，多是短路造成。这时可提起绝缘电刷，继续在连接柱打火，如仍有火花，即可在接线柱和磁场线圈间找出短路点。如无火花，表明磁场线圈正常。放下绝缘电刷，提起接地电刷，在绝缘电刷处送电，看有无火花，有火花为绝缘电刷架对地短路，或电枢线圈对地短路。启动电动机的修理与发电机基本相同，不同点仅是整流子无须开槽。
&&& 2 启动电动机空转
&&& 接通启动开关，起动机只是空转，不能啮入飞轮齿圈。
&&& 2.1故障原因
&&& ①电磁控制式的电磁开关行程太短。②单向接合器打滑。③飞轮牙齿严重磨损或损坏。
&&& 2.2故障检查与排除
&&& （1）接通电源，起动机转速很高，发出&嗡嗡&的高速旋转声，但柴油机不转，可能是单向接合器失效。此时应拆下单向接合器，一手紧握单向接合器，另一只手用力转动起动机小齿轮，若正反向均能转动，说明单向接合器失效。滚柱式单向接合器打滑的主要原因是因为外壳的内圈接触面和十字形斜形槽接触面磨损，滚柱工作时不能卡牢。此外，如果弹簧折断，使滚柱不能定位，也可能发生卡不住现象。
&&& （2）启动时，伴有齿轮撞击的尖叫声，起动机小齿轮不能进入啮合，则可能是单向接合器缓冲弹簧折断或太软，应更换。也可能是启动开关行程调整不当，对于电磁开关，可推动吸铁开关，压缩回位弹簧。当全力推到底时，小齿轮端面与止推片之间的间隙应在0.5～1 mm之间，若不足，可调节吸铁开关前端的调整螺钉，以防动触点和静触点接触过早，小齿轮与飞轮齿圈尚未啮合就开始空转。
&&& 3 启动电动机运转无力
&&& 将点火开关旋至启动挡时，启动电动机能运转，但功率明显不足，时转时停。
&&& 3.1故障原因
&&& ①存电不足或有断路故障，致使供电能力降低。②启动电动机主回路接触电阻增大，使启动电动机工作电流减小。③启动电动机磁场绕组或电枢绕组匝间短路，使起动机输出功率降低。④启动电动机装配过紧或环境温度很低而导致转动阻力过大，也可能出现启动电动机运转无力的现象。
&&& 3.2故障检查与排除
&&& （1）检查是否充足电，在启动前开大灯，当启动时大灯灯光骤然变暗，则系亏电。检查容量，若容量不足，可用容量充足的辅助供电的方法加以排除。
&&& （2）检查线路中有无接触不良部位，可用测量电压的方法进行判断。在启动时测量一下起动机主开关电源接柱与发动机壳体间的电压，再测一下正、负两极的端电压，正常时两者应相等。如果第二次测量时前者比后者低很多，说明电路中存在较大的接触电阻。
&&& （3）若怀疑是启动电动机内部故障，可用同型号无故障的启动电动机替换加以排除。当确定是其故障时，应拆检启动电动机。
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到当前为止，电机配件已开展成为产物品种完全、种类规格丰厚、构造型式多样、专业偏向细分、行业特征分明、规范系统标准的系列化和专业化的产物。电机配件技能的开展出现出如下特点：旌旗灯号传输的高速化和数字化、各类旌旗灯号传输的集成化、产物体积的小型化微型化、产物的低本钱化、接触件端接方法表贴化、模块组合化、插拔便捷化等等。以上技能代表了电机配件技能的开展偏向，但需求阐明的是：以上技能并不是一切电机配件都必需的，分歧配套范畴和分歧运用情况的电机配件，对以上技能的需求点是完全纷歧样的。
集电环(也称滑环)在笼型异步刹车减速电机转子中没有这个部件，它的作用是通过电刷将绕组的三相引出线与外电路相连接。其常见的故障有：工作表面磨损、绝缘损坏、配合松动、温度过高等。其原因分析如下：
1、集电环工作表面磨损后，会出现斑点、刷痕、凹凸不平、腐蚀、烧伤、裂纹、变椭圆、金属剥落等缺陷。
原因是：电刷内含有硬质颗粒或电刷和碳刷滑环工作面之间粘附有磨料，或集电环制造质量差等。
2、集电环与塑料配合松动。
如塑料集电环是用4330酚醛纤维压塑料连同三个铜环压制一个整体，集电环使用后，由于塑料收缩变形、产生裂纹等，导致集电环松动。
3、集电环工作温度过高。
原因是：集电环与电刷接触良，接触面积过小(小于70%)，引出电流密度过大;电刷压力过小或过大，也会引起集电环与电刷接触不良，从而造成集电环工作温度过高。
4、集电环绝缘损坏。
在中小型绕线转子异步刹车电机中，一般采用装配式集电环和导电滑环两种。在使用中，由于绝缘套筒老化、集电环松动、引出线焊接处接触不良产生局部过热、导电杆绝缘筒损坏，刷盒位移等，造成力学破坏及热破坏。还有塑料集电环，由于塑料变脆产生裂纹，电刷磨损掉下的碳粉和油污进入裂缝处，或碳粉堆积在集电环之间，导致集电环与轴对地击穿和光纤滑环之间击穿。网站：http://www.moflon.com.cn/
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