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滑環(huán)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)提供動(dòng)力電源，并負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)傳輸和安全鏈信號(hào)的連接。雖然滑環(huán)在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所占整機(jī)價(jià)值比例非常低，但是滑環(huán)整體性能、可靠性及工作壽命卻會(huì)直接影響整機(jī)的性能和可靠性。由于早期滑環(huán)的原始設(shè)計(jì)缺陷和后期維護(hù)等各方面問(wèn)題導(dǎo)致滑環(huán)造成的故障越來(lái)越多，給風(fēng)電場(chǎng)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文以某型號(hào)滑環(huán)故障大量引發(fā)變槳安全鏈信號(hào)斷開(kāi)問(wèn)題進(jìn)行分析并提出優(yōu)化升級(jí)方案，并制定該型號(hào)滑環(huán)的中長(zhǎng)期維護(hù)計(jì)劃，以最經(jīng)濟(jì)的方式增加機(jī)組穩(wěn)定性，減少機(jī)組故障停機(jī)時(shí)間和備件更換成本，提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。
隨著我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)（CWEA）資料數(shù)據(jù)顯示，截止到 2015 年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)1.45億千瓦，累計(jì)裝機(jī)臺(tái)數(shù)92981臺(tái)，年發(fā)電量1863億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的3.3%，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國(guó)第一大新能源發(fā)電技術(shù)。然而由于風(fēng)電發(fā)展前期市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常劇烈，各主機(jī)廠商設(shè)備供應(yīng)價(jià)格不斷降低，同時(shí)國(guó)外公司的技術(shù)壟斷以及采購(gòu)規(guī)范等問(wèn)題，導(dǎo)致我國(guó)大量風(fēng)電機(jī)組設(shè)備采購(gòu)價(jià)格和質(zhì)量不斷下降，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)大量問(wèn)題，機(jī)組更換備件成本居高不下，某風(fēng)電場(chǎng) 2015年故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1和圖2所示。
從圖 1和圖2可以看出，變槳故障和安全鏈故障次數(shù)占據(jù)風(fēng)場(chǎng)全部故障次數(shù)的67.18%，故障時(shí)間占總故障時(shí)間的67%，而在變槳及安全鏈故障中，大部分又是由于機(jī)組滑環(huán)故障引起的。因此，針對(duì)滑環(huán)引起的故障進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)并制定滑環(huán)的后期維護(hù)計(jì)劃對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性及提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益就顯得至關(guān)重要。本文基于已有風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及故障信息資料，首先分析國(guó)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)滑環(huán)運(yùn)行及維護(hù)現(xiàn)狀，針對(duì)該風(fēng)場(chǎng)滑環(huán)故障提出技改方案，并對(duì)滑環(huán)中長(zhǎng)期維護(hù)策略進(jìn)行探討并制定出詳細(xì)方案。

圖1 某風(fēng)電場(chǎng)2015年故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 某風(fēng)電場(chǎng) 2015年故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)

根據(jù)我國(guó)各大主機(jī)廠商的市場(chǎng)份額及各自的技術(shù)類型統(tǒng)計(jì)，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組使用電動(dòng)變槳系統(tǒng)份額高達(dá)79%，據(jù)此估算我國(guó)現(xiàn)階段運(yùn)行機(jī)組滑環(huán)占有量高達(dá)六萬(wàn)五千臺(tái)左右。而且隨著我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量以20%～30%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)我國(guó)的風(fēng)電滑環(huán)都將保持高速增長(zhǎng)。
由于技術(shù)壁壘和壟斷，我國(guó)早期風(fēng)電機(jī)組中所使用滑環(huán)大部分從國(guó)外進(jìn)口，隨著國(guó)內(nèi)不斷引進(jìn)并吸收國(guó)外滑環(huán)先進(jìn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)具備生產(chǎn)出高性能優(yōu)質(zhì)滑環(huán)的技術(shù)實(shí)力。相關(guān)國(guó)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組滑環(huán)使用情況調(diào)查研究表明，國(guó)產(chǎn)滑環(huán)實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)已經(jīng)完全可以和進(jìn)口滑環(huán)相媲美，同時(shí)國(guó)產(chǎn)滑環(huán)在價(jià)格、售后服務(wù)質(zhì)量等方面完全超越進(jìn)口滑環(huán)，而且國(guó)內(nèi)滑環(huán)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)能夠針對(duì)缺陷滑環(huán)提供不同的升級(jí)產(chǎn)品和服務(wù)解決方案。因此，我國(guó)風(fēng)電滑環(huán)市場(chǎng)將向國(guó)產(chǎn)滑環(huán)逐步替代進(jìn)口滑環(huán)并占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位過(guò)渡。
通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)大量風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行兩年以后滑環(huán)會(huì)集中出現(xiàn)大量故障，主要表現(xiàn)為滑環(huán)密封性能不足導(dǎo)致軸承進(jìn)入橡膠粉末卡死軸承以及滑道污染嚴(yán)重導(dǎo)致變槳安全鏈信號(hào)閃斷，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。由于進(jìn)口滑環(huán)廠家并不提供五年質(zhì)保期的免維護(hù)服務(wù)，而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員又對(duì)滑環(huán)維護(hù)缺乏必要的了解和專業(yè)維護(hù)技術(shù)以及必要的工具、備件，導(dǎo)致滑環(huán)出現(xiàn)問(wèn)題后無(wú)法得到有效的維護(hù)，所以很多風(fēng)電場(chǎng)都是對(duì)滑環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)單的清洗，由于沒(méi)有專用潤(rùn)滑油，滑道和電刷無(wú)法進(jìn)行有效的潤(rùn)滑，而這又會(huì)進(jìn)一步加速滑環(huán)的老化。

新疆某風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)總量為98MW，于2012年建設(shè)并投入運(yùn)行。該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組均使用德國(guó)的滑環(huán)產(chǎn)品。2015年4月份起，該風(fēng)電場(chǎng)大量機(jī)組報(bào)出安全鏈繼電器2故障，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)中控室對(duì)安全鏈進(jìn)行復(fù)位后機(jī)組恢復(fù)正常，再次啟動(dòng)機(jī)組后仍然頻報(bào)出該故障。通過(guò)機(jī)組監(jiān)控軟件錄取故障波形發(fā)現(xiàn)安全鏈繼電器2故障主要原因?yàn)榘踩溊^電器2回路24V信號(hào)斷開(kāi)約20～100ms，從而引發(fā)PLC模塊檢測(cè)信號(hào)丟失，機(jī)組報(bào)出安全鏈繼電器2故障，而機(jī)組安全鏈繼電器2實(shí)際并未斷開(kāi)，初步判斷為滑環(huán)電刷振動(dòng)導(dǎo)致安全鏈信號(hào)瞬時(shí)斷開(kāi)觸發(fā)主控故障，如圖3所示。

圖3 安全鏈故障波形

隨后通過(guò)拆卸滑環(huán)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電環(huán)道內(nèi)有大量的橡膠粉末污染；電刷彈力下降導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電刷振動(dòng)大，信號(hào)傳輸易中斷；轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子極其困難，拆卸軸承發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)部進(jìn)入大量橡膠粉末污染物，軸承內(nèi)無(wú)潤(rùn)滑油脂。上述問(wèn)題表明該型號(hào)滑環(huán)設(shè)計(jì)存在重大缺陷，滑環(huán)機(jī)械密封性能無(wú)法滿足要求，導(dǎo)致軸承及轉(zhuǎn)子污染嚴(yán)重。由于該風(fēng)場(chǎng)所使用滑環(huán)采購(gòu)時(shí)并未提供技術(shù)和維護(hù)服務(wù)，所以無(wú)法得到廠家的質(zhì)保維護(hù)。

考慮該風(fēng)場(chǎng)滑環(huán)大量出現(xiàn)故障，導(dǎo)致機(jī)組故障頻發(fā)，首要的目標(biāo)是通過(guò)技改提高滑環(huán)穩(wěn)定性，通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)來(lái)提高滑環(huán)使用壽命。
1　控制系統(tǒng)電路改進(jìn)
通過(guò)安全鏈繼電器2故障波形看出，故障主要原因是由于振動(dòng)導(dǎo)致滑環(huán)定子電刷跳動(dòng)，而安全鏈繼電器2輸入PLC信號(hào)來(lái)自于安全鏈2主回路上，所以在安全鏈信號(hào)環(huán)道上電刷跳動(dòng)時(shí)，會(huì)引起安全鏈信號(hào)斷開(kāi)，如圖4所示。

圖4 安全鏈繼電器2電路圖

從圖中看出，PLC監(jiān)控安全鏈繼電器2 OK信號(hào)來(lái)自于安全鏈2信號(hào)回路 N1#34 輸入點(diǎn)，如果滑環(huán)故障導(dǎo)致回路短時(shí)間斷開(kāi)，則主控安全鏈信號(hào)也會(huì)隨之?dāng)嚅_(kāi)，但是安全鏈繼電器2并未斷開(kāi)。也就是說(shuō)，主控是實(shí)時(shí)監(jiān)控安全鏈回路信號(hào)的，但是由于繼電器的動(dòng)作時(shí)間比信號(hào)中斷時(shí)間長(zhǎng)，安全鏈繼電器 K65.6并未動(dòng)作。
為了解決上述問(wèn)題，我們可以增加一個(gè)二級(jí)繼電器 K65.8 來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，并通過(guò) K65.6 的輔助觸點(diǎn)控制 K65.8繼電器，同時(shí)將 PLC監(jiān)控安全鏈繼電器2 OK 信號(hào)接至K65.8繼電器上端，如圖5所示。

圖5 安全鏈繼電器2改進(jìn)方案電路

這樣，即使安全鏈信號(hào)出現(xiàn)閃斷，由于其信號(hào)閃斷時(shí)間小于繼電器的斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)間，只要 K65.6繼電器未動(dòng)作，PLC安全鏈輸入信號(hào)就不會(huì)出現(xiàn)中斷。一般電磁繼電器的斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)間為 0.3～0.5S之間，這樣，通過(guò)改進(jìn)電路，可以有效避免信號(hào)閃斷引起的故障。
2　增加電刷觸點(diǎn)數(shù)量
該滑環(huán)預(yù)留了一個(gè)四通道備用信號(hào)通道，目前在機(jī)組中并未使用，為了提高安全鏈信號(hào)可靠性，可以將備用信號(hào)線和安全鏈信號(hào)線合并使用，通過(guò)這種方式增加安全鏈信號(hào)的電氣觸點(diǎn)數(shù)量，將原來(lái)單槽雙電刷結(jié)構(gòu)改為雙槽四電刷結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。

由于目前我國(guó)棄風(fēng)限電現(xiàn)象比較嚴(yán)重，風(fēng)場(chǎng)年度經(jīng)濟(jì)效益并不樂(lè)觀，如果在滑環(huán)出現(xiàn)故障就更換新的滑環(huán)，這樣將會(huì)進(jìn)一步給風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)負(fù)面影響，該風(fēng)電場(chǎng)滑環(huán)在機(jī)組運(yùn)行兩年后滑環(huán)就集中爆發(fā)大量故障，一部分是由于滑環(huán)設(shè)計(jì)存在缺陷導(dǎo)致，一部分是由于滑環(huán)制造材料性能不夠?qū)е沦|(zhì)量下降造成的。因此需要就該風(fēng)電場(chǎng)滑環(huán)中長(zhǎng)期維護(hù)制定相應(yīng)計(jì)劃。
1　備件采購(gòu)
該風(fēng)電場(chǎng)有 50臺(tái)機(jī)組，針對(duì)滑環(huán)現(xiàn)階段運(yùn)行情況，建議采購(gòu) 2～5個(gè)滑環(huán)現(xiàn)場(chǎng)備用。目前，國(guó)內(nèi)滑環(huán)制造企業(yè)已經(jīng)可以提供性價(jià)比很高的產(chǎn)品，并提供老舊滑環(huán)的升級(jí)和替代產(chǎn)品，建議采購(gòu)國(guó)產(chǎn)滑環(huán)替代進(jìn)口滑環(huán)。
同時(shí)，建議采購(gòu)一定數(shù)量的滑環(huán)備件和維護(hù)工具及物料，如無(wú)水酒精、軟毛刷、熱風(fēng)槍、電纜哈丁接頭，以方便后期維護(hù)使用。
2　缺陷整改
由于該型號(hào)滑環(huán)存在設(shè)計(jì)缺陷，現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)這些缺陷制定相應(yīng)整改措施并盡快實(shí)施。針對(duì)滑環(huán)密封性能不夠，導(dǎo)致通心軸內(nèi)部粉塵大量進(jìn)入滑環(huán)內(nèi)部，可以在通心軸PVC管處增加一級(jí)密封，保證污染物被有效隔離， 這樣可以避免滑環(huán)軸承及導(dǎo)電環(huán)道和電刷污染。 針對(duì)軸承出廠未進(jìn)行潤(rùn)滑問(wèn)題， 建議將1～2臺(tái)機(jī)組該型號(hào)滑環(huán)使用備件進(jìn)行替換，對(duì)替換下來(lái)的滑環(huán)進(jìn)行整體維護(hù)，對(duì)軸承清洗并使用油脂潤(rùn)滑，然后再進(jìn)行更換并交替維護(hù)，這樣既不影響機(jī)組的運(yùn)行，維護(hù)也可以正常進(jìn)行。
3　定期維護(hù)
滑環(huán)的定期維護(hù)和機(jī)組定期維護(hù)時(shí)間應(yīng)該同步，一般為半年進(jìn)行一次。同時(shí)，頻繁的清洗滑環(huán)可能會(huì)對(duì)滑環(huán)使用壽命有一定影響，建議在定期維護(hù)時(shí)對(duì)滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)道進(jìn)行檢查，并視情況決定是否維護(hù)；清洗時(shí)嚴(yán)禁使用油基清洗劑以防對(duì)環(huán)道和電刷腐蝕；清洗時(shí)禁止拆卸電路板，清洗完使用熱風(fēng)槍烘干，對(duì)每個(gè)導(dǎo)電環(huán)道滴入一滴潤(rùn)滑油。
4　優(yōu)化升級(jí)
該型號(hào)滑環(huán)是國(guó)內(nèi)某公司代理德國(guó)產(chǎn)品，其產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)售后服務(wù)價(jià)格相對(duì)較高；同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)代理商獨(dú)家壟斷，從市場(chǎng)上采購(gòu)該滑環(huán)的電刷備件必須通過(guò)該公司，而該公司給出的報(bào)價(jià)居高不下，購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)滑環(huán)的備件數(shù)量的價(jià)格已經(jīng)接近購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)新滑環(huán)的價(jià)格。
通過(guò)調(diào)查研究，目前我國(guó)風(fēng)電滑環(huán)主要采用兩種結(jié)構(gòu)的滑環(huán)：硬金環(huán)/合金電刷結(jié)構(gòu)和銀銅合金環(huán)/碳纖維電刷結(jié)構(gòu)。而該型號(hào)滑環(huán)是采用的硬金環(huán)/合金電刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)滑環(huán)企業(yè)大多采用銀銅合金環(huán)/纖維刷結(jié)構(gòu)，制造成本相對(duì)較低。因此可以通過(guò)尋找第三方滑環(huán)公司在后期需要更換電刷時(shí)將硬金環(huán)/合金電刷結(jié)構(gòu)更換為銀銅合金環(huán)/纖維刷結(jié)構(gòu)，采用這種更換滑環(huán)方案價(jià)格較為合理，大約為單臺(tái)滑環(huán)價(jià)格的六分之一左右，這樣可以大幅降低滑環(huán)后期的維護(hù)成本。

通過(guò)對(duì)滑環(huán)故障進(jìn)行深入分析，對(duì)控制系統(tǒng)電路改進(jìn)、增加安全鏈信號(hào)導(dǎo)電環(huán)道電刷數(shù)量，該風(fēng)場(chǎng)滑環(huán)故障得到有效控制，故障次數(shù)大幅減少。所制定的滑環(huán)后期維護(hù)計(jì)劃，可有效提高滑環(huán)使用壽命，并在滑環(huán)電刷和導(dǎo)電環(huán)道的備件更換方案上大幅減少維護(hù)費(fèi)用，具有很高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

來(lái)源：《中國(guó)風(fēng)電后市場(chǎng)專題研討會(huì)論文集》