DE102013212062A1

DE102013212062A1 - Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen, insbesondere in Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102013212062A1
Application number: DE102013212062.1A
Authority: DE
Inventors: Manfred Faber; Bernd Kinast; Dirk Wolter; Wolfgang Vesper
Original assignee: Pantrac GmbH
Current assignee: Pantrac GmbH
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: EA030914B1; JP2016525329A; EP3014712B1; EA201501138A1; CN105340139B; WO2014207047A1; EP3014712A1; CN105340139A; DE102013212062B4; US20160134072A1; US10109969B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen, insbesondere in Windkraftanlagen, von elektrischen Maschinen mit einem an einem Läufer der elektrischen Maschine angeordneten Erdungsring und einem mit Masse verbundenen Schleifkontaktelement, das mit dem Erdungsring in Kontakt steht. Es ist vorgesehen, dass das Schleifkontaktelement eine Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung umfasst, wobei die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung eine Rohdichte von 1,1 bis 1,4 g/cm3 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen, insbesondere in Windkraftanlagen, von elektrischen Maschinen, mit einem an einem Läufer der elektrischen Maschine angeordneten Erdungsring und einem mit Masse verbundenen Schleifkontaktelement, das mit dem Erdungsring in Kontakt steht.
Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind bekannt.
Bei großen elektrischen Maschinen im Netzbetrieb und bei elektrischen Maschinen im Umrichterbetrieb treten Wellenspannungen auf. Sobald diese Wellenspannungen einen bestimmten Schwellwert im Bereich von ca. 4 V (Spitzenspannung) überschreiten, kommt es im hydrodynamischen, wenige µm dicken, isolierenden Ölfilm der Lager zu einem elektrischen Durchschlag. Dieser elektrische Durchschlag schädigt die Laufflächen und führt zu einer Elektroerosion, die die statische Lagerlebensdauer deutlich reduzieren kann.
Bei Umrichtermaschinen werden darüber hinaus Wellenspannungen durch die sogenannte Common Mode Spannung verursacht. Im Gegensatz zum Drehstromnetz heben sich die Spannungsvektoren der drei Phasen am Umrichterausgang nicht in jedem Zeitpunkt zu Null auf. Diese technologiebedingte Restspannung wird Common Mode Spannung genannt. Über einen Schwingkreis aus Leitungsinduktivität und Maschinenkapazitäten werden durch die Impulse der Common Mode Spannung Wellenspannungen als stark gedämpfte elektrische Schwingungen angelegt. Die Frequenzen dieser genannten Schwingungen liegen im Bereich von 30 bis 50 kHz und die Wiederholfrequenzen der einzelnen Spannungspiks entsprechen der Umrichtertaktfrequenz im Bereich von 2 bis 3 kHz.
Bei läuferspeisenden Windkraft-Asynchrongeneratoren liegt der Umrichter über Schleifringe direkt am Läufer.
Um die Lagerströme abzuleiten, das heißt diese nicht über die Lager zu führen, ist eine sogenannte Wellenerdung bekannt. Hierbei wird auf der Welle ein Erdungsring angeordnet, der mit einem Schleifkontaktelement, das mit Erde verbunden ist, in Kontakt steht. Das Schleifkontaktelement wird bekanntermaßen von einer Metallgraphitbürste oder Metallgraphit-Naturgraphit-Schichtbürste gebildet.
Es hat sich gezeigt, dass bei dem Einsatz der Metallgraphitbürsten oder Metallgraphit-Naturgraphit-Schichtbürsten ein relativ schneller Verschleiß an der Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen auftritt. Hierbei kommt es regelmäßig zu Anfleckungen auf den Erdungsringen und den Kontaktbahnen und zu Anbrennungen und Metallablagerungen auf den Erdungsringen und Kontaktbahnen. Es setzen Mikrolichtbögen zwischen dem Erdungsring und dem Schleifkontaktelement ein, die zu einer Erosion des Erdungsringes führen. Der hiermit einhergehende mechanische Verschleiß der Erdungsringe und der mit diesen in Kontakt stehenden Schleifkontaktelemente führt zu einem Anstieg des Spannungsabfalls über die Kontaktpartner. Hierdurch besteht die Gefahr des Ableitens der Wellenströme nicht über die Vorrichtung zum Ableiten von Erdungsströmen, sondern über die Lager, wodurch diese wiederum dem an sich zu verhindernden Verschleiß unterliegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und die verschleißarm ist und eine sichere Ableitung von hochfrequenten Strömen gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass das Schleifkontaktelement eine Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung umfasst, die eine Rohdichte von 1,1 bis 1,4 g/cm³ aufweist, ist vorteilhaft möglich, der Bürste eine hohe Elastizität zu verleihen. Durch diese, gegenüber den bekannten Metallgraphitbürsten niedrige Rohdichte wurde festgestellt, dass der Kohlenstoff mit Metalleinlagerung eine hohe Langlauffestigkeit mit sehr konstanten Reibkoeffizienten über das gesamte Belastungsspektrum aufweist. Der Reibungskoeffizient liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,15 bis 0,20. Der Reibungskoeffizient bleibt bei unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen konstant. Somit wird eine sichere elektrische und mechanische Kontaktierung des Schleifkontaktelementes mit dem Erdungsring sichergestellt. Somit stellt sich ein gleichmäßiger und geringer Spannungsabfall bei unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen ein. Ein Verschleiß des Erdungsringes, das heißt der mit dem Schleifkontakt in Kontakt kommenden Kontaktbahn, wird auf ein absolutes Minimum reduziert. Der Kohlenstoff mit Metalleinlagerung mit der erfindungsgemäßen Rohdichte weist ebenfalls einen geringen Verschleiß auf. Insgesamt kann somit eine sichere Ableitung von hochfrequenten Strömen von der Welle erfolgen. Die Lager werden somit sicher geschützt und besitzen hiermit eine große statische Lebensdauer.
Insgesamt kann das Wartungsintervall zur Überprüfung beziehungsweise zum Austausch von Schleifkontaktelement und/oder Erdungsring deutlich verlängert werden. Insbesondere beim Einsatz von läufergespeisten -Asynchrongeneratoren in Windkraftanlagen ergibt sich hiermit aufgrund der oftmals schwierigen Zugänglichkeit, beispielsweise bei Offshore-Anwendungen, ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rohdichte der Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung zwischen 1,15 bis 1,30 g/cm³, insbesondere zwischen 1,2 bis 1,28 g/cm³ beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei dieser Rohdichte ein sehr konstanter Reibungskoeffizient mit den erwähnten Vorteilen realisieren lässt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung, die Einlagerung vorzugsweise aus Silber besteht, wobei der Silberanteil vorzugsweise zwischen 1 und 8 % (Gewichtsprozent), insbesondere zwischen 2 und 5 % (Gewichtsprozent) beträgt. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass auf der Laufbahn des Erdungsringes eine dünne Patinabildung durch Silbermoleküle erfolgt. Hierdurch kommt es zu einer Reduzierung des Übergangswiderstandes zwischen dem Erdungsring und dem Schleifkontaktelement, so dass die hochfrequenten Wellenströme sicher abgeleitet werden können.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung mit den in Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung für ein Schleifkontaktelement, das mit einem Erdungsring einer elektrischen Maschine in einer Windkraftanlage in Kontakt steht, eine Rohdichte von 1 bis 1,4 g/cm³, vorzugsweise 1,15 bis 1,30 g/cm³, insbesondere 1,2 bis 1,28 g/cm³ aufweist, wird vorteilhaft möglich, bereits vorhandene Vorrichtungen zur Ableitung von Erdungsströmen in Windkraftanlagen mit der erfindungsgemäßen Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung auszustatten. Hierdurch wird die statistische Lebensdauer der Lager der elektrischen Maschinen wesentlich verlängert. Wartungsintervalle und somit der damit verbundene Aufbau können deutlich reduziert werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die schematisch eine Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen zeigt, näher erläutert. 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Erdungsring 12, der auf einer Welle 14 angeordnet ist. Die Welle 14 ist Bestandteil eines Läufers einer elektrischen Maschine, insbesondere eines läuferspeisenden Asynchrongenerators für Windkraftanlagen. Aufbau und Wirkungsweise von läuferspeisenden Asynchrongeneratoren sind allgemein bekannt, so dass hierauf im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen wird.
Dem Erdungsring 12 ist ein Schleifkontaktelement 16 zugeordnet, das eine Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 umfasst. Die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 ist über eine hier gezeigte Leitung 20 mit Erdpotential verbunden.
Die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 ist in Kontakt mit dem Erdungsring 12. Eine derartige Anordnung ist an sich bekannt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 eine Rohdichte von 1,2 bis 1,28 g/cm³ aufweist. Ferner weist die Metallgraphitbürste 18 eine Silberimprägnierung zwischen 2,5 und 5 % Silberanteil auf.
Durch die geringe Dichte und den Silberanteil wird neben dem konstanten Reibungskoeffizienten auch ein geringer Spannungsabfall, das heißt ein niedriger Übergangswiderstand zwischen der Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 und dem Erdungsring 12 erzielt.
Zur Erzielung der Silberimprägnierung wird eine Silberlösung in die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 mit der niedrigen Rohdichte injiziert und dann das Silber durch einen chemisch-thermischen Prozess ausgefällt. Das Silber wird hierzu nicht aufgeschmolzen. Der Silberanteil spielt für die Stromleitfähigkeit der Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 nur eine untergeordnete Rolle. Ein 5%iger Silberanteil in der Metallgraphitbürste 18 bewirkt das Absenken des Spannungsabfalls über der Vorrichtung 10 um 50 % und ein 2,5%iger Silberanteil bewirkt ein Absenken des Spannungsabfalls in der Vorrichtung 10 um 25 % gegenüber einer nicht mit Silber imprägnierten Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung
Die Silberimprägnierung führt somit zusätzlich zu der an sich schon erfindungsgemäß vorgesehenen niedrigen Rohdichte der Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 zu weiteren Vorteilen. Insbesondere wird eine hohe Impulsstromfestigkeit erzielt. Bei Leerlauf beträgt diese beispielsweise 0 A/cm², und bei Last 20 A/cm². Durch die geringe Dichte besitzt die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 eine hohe Elastizität, die zu einem konstanten Reibungskoeffizienten führt. Erzielbar ist die geringe Dichte beispielsweise durch einen geringen Aschegehalt, von beispielsweise 0,8 % in der eingesetzten Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass durch den hochelastischen Bürstenwerkstoff für die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 mit geringer Dichte ein stabiler Reibwert in Kombination mit dem geringen Silberanteil im Bürstenwerkstoff und ein geringer Spannungsabfall erzielt wird. Hierdurch wird ein wartungsarmes Laufverhalten der Vorrichtungsableitung von Erdungsströmen mit geringem Verschleiß der Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung 18 und geringem Verschleiß des Erdungsringes 12 erhalten.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Erdungsring
14: Welle
16: Schleifkontaktelement
18: Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung
20: Leitung

Claims

Vorrichtung zur Ableitung von Erdungsströmen, insbesondere in Windkraftanlagen, von elektrischen Maschinen mit einem an einem Läufer der elektrischen Maschine angeordneten Erdungsring und einem mit Masse verbundenen Schleifkontaktelement, das mit dem Erdungsring in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifkontaktelement (16) eine Kohlenstoffbürste mit Metalleinlage (18) umfasst, wobei die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung (18) eine Rohdichte von 1,1 bis 1,4 g/cm³ aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohdichte 1,15 bis 1,30 g/cm³ beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohdichte 1,2 bis 1,28 g/cm³ beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung (18) eine Silberimprägnierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Silberanteil zwischen 1 und 8 % beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Silberanteil zwischen 2 und 5 % beträgt.
Kohlenstoffbürste mit Metalleinlagerung (18) für ein Schleifkontaktelement (16), das mit einem Erdungsring (12) einer elektrischen Maschine in einer Windkraftanlage in Kontakt bringbar ist, gekennzeichnet durch eine Rohdichte von 1,1 bis 1,4 g/cm³, vorzugsweise 1,15 bis 1,30 g/cm³, insbesondere 1,2 bis 1,28 g/cm³.