双馈异步风力发电机为何会出现打火故障？此类故障该如何处理？
1前言
双馈异步风力发电机因电刷滑环故障导致的发电机运行不稳定现象屡有发生，严重时造成机组停机，给生产和经济带来了严重的危害。
为此本文从几方面开展分析研究，对风电场试验进行分析验证。
2原因分析
对于双馈异步发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过滑环与变流器相连。
其中，I为转子电流；I1、I2、I3、I4、I5、I6为通过每个碳刷的电流；R01、R02、R03、R04、R05、R06为碳刷与滑环的接触电阻，约6mΩ。
R11、R12、R13、R14、R15、R16为每个碳刷的本体电阻，约0.2mΩ；R21、R22、R23、R24、R25、R26为每个碳刷引接线与碳刷的连接电阻，约0.4mΩ。
由参数可知，滑环与碳刷引接线之间的电阻值影响流过每个碳刷的电流值及损耗4-6。
对于本次出现故障的2.0MW双馈异步发电机，转子电流为570A，平均流过每个碳刷的电流约95A，远低于碳刷的额定允许电流144A。
且该型号的发电机装机数量超过1000台双馈发电机，并未出现滑环打火故障，由此可推断此次滑环打火的原因并非滑环碳刷系统选型有误。
滑环之所以出现打火现象，多是由于碳刷过载造成碳刷与滑环的接触面过热，破坏了滑环表面的氧化膜，进而产生环火烧蚀碳刷。
为确定滑环打火的真正原因，本文通过在风电场对发电机进行满载温升试验，测试2台运行一年半发电机的旧碳刷和2台发电机新安装碳刷的运行情况。
测试方法为，待发电机温升稳定后，用FLUKE190-104SCOPEMETER表测量每个碳刷的电流，试验结束后，查看贴在发电机刷盒上THERMAX测温纸显示的碳刷温度。
由测试结果可知，无论是新碳刷还是旧碳刷，通过每个碳刷的电流均存在不均流现象，但旧碳刷的不均流程度更为严重，且出现了个别碳刷电流值超过电刷许用电流值的现象。
同时，新碳刷的温度均低于82℃，在碳刷的许用温度（125℃）内，而旧碳刷的温度均超过了127℃。
通过以上分析可知双馈发电机，碳刷运行温度超过碳刷许用温度是造成碳刷打火的直接原因。
对于滑环-碳刷系统，工作时的发热一方面源于碳刷与滑环摩擦产生的摩擦损耗，主要受滑环与碳刷表面氧化膜的质量影响，氧化膜形成不好，表面摩擦力大，摩擦损耗增大。
另一方面，源于电流流过的路径产生的欧姆损耗，主要受电流及各处电阻的影响，碳刷与碳刷引接线的连接电阻受引接线连接方式的质量影响较大。
在电机运行时，滑环氧化膜处于稳定状态，因此，摩擦损耗及碳刷与滑环的接触电阻变化较小；碳刷本体电阻及碳刷与碳刷引接线的连接电阻可用毫欧计测出。
从测试结果可知，新碳刷的本体电阻及碳刷与碳刷引接线的连接电阻均在合格范围内，而对于使用一年半左右的旧碳刷，碳刷本体电阻及碳刷与碳刷引接线的连接电阻均出现了不同程度的增大。
与新碳刷相比，旧碳刷的碳刷本体电阻最大增加了约4倍，碳刷与碳刷引接线的连接电阻增大了约82倍。
碳刷电阻的恶劣变化，一方面加剧了碳刷的不均流，导致流过碳刷的电流超过碳刷的许用电流，
另一方面大大增加了碳刷回路产生的欧姆损耗，两者的综合作用使得碳刷过温进而发生打火现象。
通过实地考察发现，风电场地处贵州永宁镇，冬季风能资源条件较差，常有霜冻，且时常伴有冻雨。
在环境恶劣时风电场处于停工状态，业主为了节省开支，习惯将机组断电，因此，滑环室内的加热器无法按要求开启，造成机舱外的潮湿空气倒流入滑环室内，碳刷与碳刷引接线处吸潮造成填充粉氧化，使得碳刷引接线与碳刷结合性变差，连接电阻变大。
由此可见，业主断电造成碳刷受潮是引发碳刷打火的根本原因。
3验证测试
为了验证以上分析的正确性，对该风电场24台机组的发电机碳刷进行更换，其中的12台断开滑环室加热器。
运行一年后，在12台开启加热器的机组和12台未开启加热器的机组上，随机各抽取18支碳刷进行电阻测试，得到测试数据。
对于滑环室加热器正常开启的机组，碳刷电阻均未发生大的变化，且未发生碳刷打火故障。
而对于滑环室加热器未开启的机组，虽然未发生打火故障，但碳刷电阻均发生了改变。该结果验证了上述分析结论的准确性。
4结论
为了避免再次发生同类故障，风电场维护人员须严格按照发电机维护使用说明书的内容对电机进行保养维护，在机组停机状态下确保发电机滑环室加热器处于开启除潮状态。
参考文献
[1] 双馈异步发电机电刷滑环电阻变化理论与仿真研究. 陈涛涛;马宏忠.中国电力,2013
[2] 发电机滑环电刷发热的原因分析及处理方法的分析. 王晓庆;毛云姣;邓亚军.科技创新与应用,2013
[3] 发电机滑环电刷发热的原因分析及处理方法. 王绍平.华电技术,2012
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