滑环故障分析及优化方案

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

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。

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。

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。
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。
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。

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。
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。
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。

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。

来源：《中国风电后市场专题研讨会论文集》