风力发电机组滑环问题研究

　　摘要：风电作为节能、安全、环保和可再生的清洁资源受到世界关注,随着技术的日趋成熟和规模效应初步显现,风电已经成为最具潜力和活力的新能源之一。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维护策略方案，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。

　　关键词：风力发电机组;滑环;维护

　　能源是经济和社会发展的重要基础,是人类生产和生活必需的基本物质保障,也是我国现代化建设的战略重点。新能源是未来能源发展的方向,风能作为新能源重要的一部分,利用技术相对成熟,生产过程中不产生污染和无废弃物排放,且储量大,永不枯竭,是21世纪最有发展前途的绿色能源和人类社会经济持续发展新动力之一。风电机组变桨系统安装于风电机组轮毂中，在风电机组运行时起着随风速及发电功率变化而及时调整其桨叶桨距角的重要作用。

　　变桨系统能否准确而及时地将风电机组桨叶变换至相应的位置，关键在于其能否与主控之间保持信息相互传递的通畅性，以便能及时地接收主控的指令，主控也能及时地接收变桨系统的信息而发出相应的指令。现在绝大部分风电机组的主控与变桨系统之间为现场总线通信方式，通讯电缆为专用的带屏蔽双绞铜缆，中间旋转接触部分用电气滑环相连接，而电气滑环存在的诸多缺点会导致通信不畅，因此有必要对其进行优化。

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　　一、慨述

　　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，我国风电累计装机 容量已达 1.45 亿千瓦，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。

　　某风电场故障统计结果数据显示，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。 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原因分析，并对滑环中长期维护策略进行探讨并制定出详细方案。

　　二、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。

　　三、滑环故障原因分析

　　某风电场装机总量为 49.5MW，该风场机组滑环产品，风电场大量机组报出安全链继电器故障，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故障主要原因为安全链继电器回路 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故障，而机组安全链继电器实际并未断开，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。

　　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。

　　四、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。

　　1、备件采购。该风电场机组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。

　　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。

　　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。

　　通过对滑环故障进行深入分析，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。

　　参考文献：

　　[1] 杨文龙.单片机原理及应用 [M]. 陕西 : 西安电子科技大学出版社 ,2019.

　　[2] 白 焰 , 吴鸿 , 杨国田. 风力发电机组原理与风场滑环现场总线控制系统 [M]. 北京 : 中国电力出版社 ,2019.

　　[3] 姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与风场滑环故障控制应用[J].机械工业出版社,2019.06. 作者简介格式：

　　作者姓名：李永胜

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