基于海洋環境下的電刷滑環系統特征分析

鞏源泉

摘 要：海洋與陸上風電相比，海上風電年利用小時數多，風速較陸上更高，有穩定的主導方向，因此機組運行穩定、壽命長。海洋環境下的腐蝕確實電刷滑環系統最大的困擾，針對鹽霧腐蝕問題，設計了動態腐蝕模擬試驗。動態鹽霧腐蝕試驗表明，鹽霧會將加速電刷的磨損，破壞滑環氧化膜的形成。

關鍵詞：電刷滑環；鹽霧試驗；海洋環境；顯微分析

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）32-0261-01

引 言

海洋與陸上風電相比，海上風電年利用小時數多，風速較陸上更高，有穩定的主導方向，因此機組運行穩定、壽命長，不需要很高的塔架，單機能量產出較大。但是海上雙饋風力發電機處于高鹽霧、高濕度的惡劣環境中，電刷滑環的腐蝕與磨損遭受著嚴峻的挑戰，這也是遏制海上風電發展的至關重要的因素。自然環境下的靜態暴露腐蝕試驗時間較長，不利于電刷滑環的研制與提高。目前鹽霧試驗一般主要用于檢測各類設備是否能夠抗腐蝕，并沒有在動態運轉的情況下監測電刷滑環的工作狀況。

海洋環境復雜多變，影響電刷滑環腐蝕與磨損的因素較多，但是目前國內對于電刷滑環的抗腐蝕問題研究較少，只能參考海上的風機一些國際標準，甚至西門子公司曾宣布放棄對海上風機的研究與發展。電刷在海洋環境下磨損特別嚴重，一般的電刷工作幾周之后就必須更換，嚴重耗損人力與物力。電刷與滑環之間的氧化膜也不能較好的形成，進而引發電刷滑環嚴重發熱，故而研究高可靠、低維護、抗鹽霧腐蝕的電刷滑環系統尤為重要。

1 海洋環境與鹽霧腐蝕機理

1.1 海洋鹽霧環境

海洋大氣中的鹽霧、環境溫度和濕度、日光、海水的溫度和流速、海水中的溶解氧及鹽含量、海浪的沖擊、漂浮物的撞擊、海洋生物、海底土壤中的細菌等都可不同程度地引起鋼結構的腐蝕。按ISO12944-2，大氣區處于C5-M的海洋大氣腐蝕。與內陸大氣區相比，海洋大氣區的濕度大，鹽分高，容易發生電化學腐蝕。經研究表明，海洋大氣環境比內陸大氣環境對鋼鐵構件的腐蝕程度要高4～5倍。

鹽霧的形成的方式包括海霧氣流說、海水擾動說、鹽塵飄揚說的等解釋原理。文獻中較為認可的原理為：鹽霧是指懸浮在空氣中含鹽微小液滴。它是海水在漲潮與退潮時，海水之間的碰撞或者海水與海岸的碰撞，含鹽的水蒸氣在大氣運動下形成的。

1.2 電刷滑環的腐蝕機理

鹽霧對電刷滑環系統的腐蝕作用是以電化學的方式進行的，其腐蝕過程為金屬的電離過程：①金屬電負性較強，失去電子；②金屬離子進入溶液，并以水化離子的形式存在；③留下的剩余電子被氧氣吸收形成氫氧根離子；④氯化鈉離解生成鈉離子和氯離子，部分氯離子、金屬離子和氫氧根離子反應生成金屬腐蝕物。

碳刷在滑環上運行時，在其接觸面上形成一層均勻、適度、穩定的氧化膜，氧化膜是一種復合薄膜，包括氧化薄膜和碳素薄膜，其正常厚度在8～100μm?；h氧化膜在滑環運行中并非靜止不變的，而是出于一種磨損、再生交替進行的平衡狀態。氧化膜的存在可改變電刷與滑環的接觸特性，減少了摩擦、降低磨損、延長使用壽命。海洋鹽霧環境是高濕度環境，鹽霧可加速腐蝕，導致鐵銹粉塵增加，空氣含氧量降低，氧化膜被破壞，滑環溫度會進一步升高，可見鹽霧是形成氧化膜及其不利的因素，容易破壞氧化膜形成的動態平衡過程。

2 動態鹽霧試驗分析

鹽霧試驗系統的搭建：

鹽霧試驗系統采用三相異步電機帶動滑環旋轉，電刷滑環整體置于鹽霧試驗箱內部，使得電刷滑環可以在鹽霧試驗箱營造的鹽霧環境內運行，以便達到動態試驗的效果。電刷所需的電流、頻率由變頻器電源提供，電流互感器好電壓互感器采集電刷上的電流電壓數據，示波器用于存儲和監測電刷上的電流電壓狀況。變頻電源提供低電壓、大電流，采用1歐的黃金功率電阻限流，電阻需配備配套的散熱片，避免電阻因長時間的試驗而發熱損壞。

鹽霧試驗前首先用顯微鏡觀察滑環、刷架、電刷等器件表面的光學特征，電刷應使用800目以上砂紙預研磨，經過粗砂紙研磨與細砂紙研磨之后才能進行腐蝕試驗，否則可能造成電刷滑環表面接觸不均勻，接觸面積減小，電刷電流斷續，進而導致電流不平衡和滑環打火等狀況。

滑環表面在未腐蝕之前較為平整，整個表面有較強的金屬光澤，表面存在許多細孔?；h腐蝕之后整個表面泛白，表面附著許多鹽粒，鹽霧腐蝕造成表面不平整。刷架未腐蝕之前整個表面清晰可見，不存在較大的孔洞，腐蝕之后表面變得坑坑洼洼，并且存在一定的灰度。電刷在未打磨之前灰度較大，經過動態腐蝕試驗之后，整個接觸面并沒有與滑環進行接觸，部分接觸面灰度變高，部分接觸面附著鹽粒；灰度較高與附著鹽粒的交界處顯得尤為光亮，此處為不平衡的交界處。

3 結 論

鹽霧腐蝕對整個電刷滑環系統都有較大的損傷，會加速電刷的磨損，促使電刷表面變得極為的不平整，電刷滑環之間的接觸面積減小，在滑環表面發生電化學反應，滑環氧化膜不易形成，嚴重時還會引起打火現象。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-18