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摘要：随着风力发电技术不断发展，对机组内部零部件的维护与故障检测越来越重要，本文就针对风电机组的双馈发电机部分，本文旨在于对风电机组发电机滑环室内碳刷打火现象的原因进行分析，在三种机理的猜想下进行分析或试验对比验证，本文证明了猜想的正确性，得出了打火产生的主要原因在于接触力的变化及电荷的放电所引起的，并可以此作为依据来保护风电机组的正常运作。
关键词：风力发电机组 碳刷打火 接触力变化 热击穿 电击穿
中图分类号：TK83 文献标识码：A
一、研究背景
本文是基于风力发电机组双馈电机滑环室内滑环与碳刷接触打火展开的，分析碳刷表面打火情况下的电流波动是由什么因素所引起的。查阅文献后，我们起初推测该打火现象的发生可能由于滑环室与碳刷之间的频繁摩擦引起的，而引起频繁摩擦的主要在于滑环室的离心现象，使得滑环室表面与碳刷表面的接触力大小在不断的变化，最终导致打火的产生;第二个观点是对热接触理论的讨论，考虑温升对碳刷表面热击穿的影响;再者还有个观点是碳刷内流经的电流电击穿导致，使得我们肉眼能够观测到打火的现象;下文中我们会就这三个观点分别进行讨论，来探究造成碳刷打火现象的真正原因。
二、研究目标
本文旨在于对风电机组电机的滑环室内碳刷打火原因进行探究，本文共涉及两个试验，一个理论推论，分别对应三种对碳刷打火的解释，对后续我们风电机组在正常运行时对滑环室内碳刷的打火情况可以做出相对应的检测，提前及时的对碳刷进行维护或者更换处理有着关键的作用，也可凭此方法研制一套可用于提前预警的装置来保护风电机组的正常运作。
三、打火机理分析
机理1：基于接触力变化的碳刷打火现象
本原理最早由提出并探究其方法，该原理主要阐述了碳刷与滑环室在高速运动下，滑环室离心率变化导致的与碳刷接触力变化，最终引起碳刷表面打火现象的产生。在探究滑环与碳刷间的打火原因时我们有以下的猜想：碳刷与滑环室打火现象的产生可能不光光是磨损造成的，还需考虑到可能是接触力的减少、滑环表面的急剧的离心率造成。倘若滑环表面的离心率急剧增大，对应滑道与碳刷会在径向产生额外的接触力，使得滑环与碳刷直接的接触面积不断发生变化，导致电机转子侧的电流特性发生改变，我们现在可以运用FFT来诊断和评估这份电流改变。
从我们对波形的电流特征量进行放大可以看到，滑环室离心率过大撞击碳刷时，转子电流的特征值会有明显的变化，导致打火现象的产生。
为了评估打火的等级，我们需要记录一段长期的转子侧波形，但火花在任何时期都不会经常发生，因此我们的试验台运行在最大转速下，并记录了大量的数据，我们发现：在高转速下，打火时电流有明显的变化（如下图1所示），我们以此来评判打火的产生。
我们对采集到的数据进行FFT分析可以得到，不同速度下电机的电流频率。并进行对比分析，分析不同频率下的电机转子的电流大小，观察到电机在电流频率达到一定值时有打火的现象产生。以此来说明滑环室离心率和碳刷打火有直接的关联（如图1所示）;在知晓了接触力对碳刷打火存在关联之后，我们查阅了相关针对接触力的三相接触力试验，将电机的3相分别增加不同大小的接触力，得到如下的结论（如图2所示），
在不同的接触力下，打火的频率有明显的区别，这也验证了我们的猜想，说明接触力的变化的确是碳刷产生打火的一种方式。
机理2：基于热击穿的碳刷打火
热击穿是通过而发生的击穿。此类击穿一般来说仅在特殊条件下，例如较高温度下 是重要的，温度较高下存在打火的情况，其特征是击穿电场强度 （或击穿电压）与温度密切 有关。电介质的热导率：
式中：C—声子热容;v—声速;l——声子之间倒逆碰撞的平均自由程。在高温下，l与绝对温度 T大致成反比，C与v保持为常数。因此：
另一方面，由各相电极注入电介质（碳刷）的电流产生焦耳热，由于K降低，这些热量不能顺利地排出电介质，温度继续升高，K变的更低，这一正反馈过程导致晶格破坏，这即为热击穿过程。
机理3：基于电击穿的碳刷打火现象：
对于电击穿机理，另一方面，当电介质温度低于 ，若加上某一相当高的电场强度，即我们试验给与的大功率时，发现击穿可在数量级为 ～ 秒时间内发生击穿放电，且击穿电场强度对温度的依赖远小于热击穿的情况。这种情况下发生的击穿称为电击穿。
我们这次也设计了一个试验台来验证这个猜想（试验台见下图2），我们搭建的这个台子可以创造碳刷打火的现象，将电机运行在满转速的情况下，对电机施加功率到1750kW，以此来创造大电流的击穿环境，同时我们用dewetron-800仪器来检测转子侧的电流波形，检测到碳刷表面打火的同时，在波形上也獲取到相对应的“打火波形”，如下图3所示：
从“打火波形”上我们可以看到波形在打火处有个尖峰，即电流有突变的现象，我们可以理解成电荷发生了击穿，导致尖端放电，电流才出现了突变的现象，使得我们观察到打火的产生。
四、研究总结
综合上述三种机理可知，第一种机理说明碳刷表面接触力变化与表面电荷的尖端放电均会导致碳刷表面出现打火的现象，碳刷接触力比较测试结论：1、多孔的碳刷在高转速与大电流下有较好的表现;2、提高碳刷表面的压力能够有效的增大碳刷与集电环的稳定性，减少打火的发生;第二种机理说明热击穿也是导致碳刷发生打火的诱因之一，但我们这次只是理论的概述，需要试验来验证;第三种机理说明电击穿的情况要显得更为极端一点，需要电流达到一定值才能引发，且机组正常运行时不太容易触发电击穿。相较之下，接触力需要高转速作为支撑，在高转速下才会使得电机转子处滑环室出现较大的离心率，这个机理更为贴合我们当下风机的运行状况下可能的触发条件，后续我们会针对这一情况做出相对应的风电机组打火预警装置。
参考文献（References）：
[1] M. Würfel， W. Hofmann Monitoring of the transmission properties of the rotor slip ring system of doubly-fed induction generators[J]. IEMDC.2005.1957372005： 295-299
[2] Noboru Morita， Masami Mori， Comparison of Brush Sliding Contact Characteristics between Structure Steel Ring & Stainless Steel Ring for Large AC Motors[J]. HOLM.2008.ECP.29 98-102
[3] 张积之，固态电介质击穿机理研究的发展与现状[J].上海铁道学院学报，1991（9）：93-104
作者简介
钱赫（1994-），男，本科，浙江工业大学毕业，研究方向电气自动化与工业控制系统
关键词：风力发电机组 碳刷打火 接触力变化 热击穿 电击穿
中图分类号：TK83 文献标识码：A
一、研究背景
本文是基于风力发电机组双馈电机滑环室内滑环与碳刷接触打火展开的，分析碳刷表面打火情况下的电流波动是由什么因素所引起的。查阅文献后，我们起初推测该打火现象的发生可能由于滑环室与碳刷之间的频繁摩擦引起的，而引起频繁摩擦的主要在于滑环室的离心现象，使得滑环室表面与碳刷表面的接触力大小在不断的变化，最终导致打火的产生;第二个观点是对热接触理论的讨论，考虑温升对碳刷表面热击穿的影响;再者还有个观点是碳刷内流经的电流电击穿导致，使得我们肉眼能够观测到打火的现象;下文中我们会就这三个观点分别进行讨论，来探究造成碳刷打火现象的真正原因。
二、研究目标
本文旨在于对风电机组电机的滑环室内碳刷打火原因进行探究，本文共涉及两个试验，一个理论推论，分别对应三种对碳刷打火的解释，对后续我们风电机组在正常运行时对滑环室内碳刷的打火情况可以做出相对应的检测，提前及时的对碳刷进行维护或者更换处理有着关键的作用，也可凭此方法研制一套可用于提前预警的装置来保护风电机组的正常运作。
三、打火机理分析
机理1：基于接触力变化的碳刷打火现象
本原理最早由提出并探究其方法，该原理主要阐述了碳刷与滑环室在高速运动下，滑环室离心率变化导致的与碳刷接触力变化，最终引起碳刷表面打火现象的产生。在探究滑环与碳刷间的打火原因时我们有以下的猜想：碳刷与滑环室打火现象的产生可能不光光是磨损造成的，还需考虑到可能是接触力的减少、滑环表面的急剧的离心率造成。倘若滑环表面的离心率急剧增大，对应滑道与碳刷会在径向产生额外的接触力，使得滑环与碳刷直接的接触面积不断发生变化，导致电机转子侧的电流特性发生改变，我们现在可以运用FFT来诊断和评估这份电流改变。
从我们对波形的电流特征量进行放大可以看到，滑环室离心率过大撞击碳刷时，转子电流的特征值会有明显的变化，导致打火现象的产生。
为了评估打火的等级，我们需要记录一段长期的转子侧波形，但火花在任何时期都不会经常发生，因此我们的试验台运行在最大转速下，并记录了大量的数据，我们发现：在高转速下，打火时电流有明显的变化（如下图1所示），我们以此来评判打火的产生。
我们对采集到的数据进行FFT分析可以得到，不同速度下电机的电流频率。并进行对比分析，分析不同频率下的电机转子的电流大小，观察到电机在电流频率达到一定值时有打火的现象产生。以此来说明滑环室离心率和碳刷打火有直接的关联（如图1所示）;在知晓了接触力对碳刷打火存在关联之后，我们查阅了相关针对接触力的三相接触力试验，将电机的3相分别增加不同大小的接触力，得到如下的结论（如图2所示），
在不同的接触力下，打火的频率有明显的区别，这也验证了我们的猜想，说明接触力的变化的确是碳刷产生打火的一种方式。
机理2：基于热击穿的碳刷打火
热击穿是通过而发生的击穿。此类击穿一般来说仅在特殊条件下，例如较高温度下 是重要的，温度较高下存在打火的情况，其特征是击穿电场强度 （或击穿电压）与温度密切 有关。电介质的热导率：
式中：C—声子热容;v—声速;l——声子之间倒逆碰撞的平均自由程。在高温下，l与绝对温度 T大致成反比，C与v保持为常数。因此：
另一方面，由各相电极注入电介质（碳刷）的电流产生焦耳热，由于K降低，这些热量不能顺利地排出电介质，温度继续升高，K变的更低，这一正反馈过程导致晶格破坏，这即为热击穿过程。
机理3：基于电击穿的碳刷打火现象：
对于电击穿机理，另一方面，当电介质温度低于 ，若加上某一相当高的电场强度，即我们试验给与的大功率时，发现击穿可在数量级为 ～ 秒时间内发生击穿放电，且击穿电场强度对温度的依赖远小于热击穿的情况。这种情况下发生的击穿称为电击穿。
我们这次也设计了一个试验台来验证这个猜想（试验台见下图2），我们搭建的这个台子可以创造碳刷打火的现象，将电机运行在满转速的情况下，对电机施加功率到1750kW，以此来创造大电流的击穿环境，同时我们用dewetron-800仪器来检测转子侧的电流波形，检测到碳刷表面打火的同时，在波形上也獲取到相对应的“打火波形”，如下图3所示：
从“打火波形”上我们可以看到波形在打火处有个尖峰，即电流有突变的现象，我们可以理解成电荷发生了击穿，导致尖端放电，电流才出现了突变的现象，使得我们观察到打火的产生。
四、研究总结
综合上述三种机理可知，第一种机理说明碳刷表面接触力变化与表面电荷的尖端放电均会导致碳刷表面出现打火的现象，碳刷接触力比较测试结论：1、多孔的碳刷在高转速与大电流下有较好的表现;2、提高碳刷表面的压力能够有效的增大碳刷与集电环的稳定性，减少打火的发生;第二种机理说明热击穿也是导致碳刷发生打火的诱因之一，但我们这次只是理论的概述，需要试验来验证;第三种机理说明电击穿的情况要显得更为极端一点，需要电流达到一定值才能引发，且机组正常运行时不太容易触发电击穿。相较之下，接触力需要高转速作为支撑，在高转速下才会使得电机转子处滑环室出现较大的离心率，这个机理更为贴合我们当下风机的运行状况下可能的触发条件，后续我们会针对这一情况做出相对应的风电机组打火预警装置。
参考文献（References）：
[1] M. Würfel， W. Hofmann Monitoring of the transmission properties of the rotor slip ring system of doubly-fed induction generators[J]. IEMDC.2005.1957372005： 295-299
[2] Noboru Morita， Masami Mori， Comparison of Brush Sliding Contact Characteristics between Structure Steel Ring & Stainless Steel Ring for Large AC Motors[J]. HOLM.2008.ECP.29 98-102
[3] 张积之，固态电介质击穿机理研究的发展与现状[J].上海铁道学院学报，1991（9）：93-104
作者简介
钱赫（1994-），男，本科，浙江工业大学毕业，研究方向电气自动化与工业控制系统