雙饋異步發電機潛在失效模式分析及控制措施研究

武堯堯，余冰

（國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

前言

風力發電是一種很有潛力的可再生能源，隨著世界風電產業的快速崛起，中國的風力發電機組技術也在迅速發展。目前主流變速恒頻風力發電機組有兩種：雙饋式感應風力發電機組和直驅式永磁同步風力發電機組。其中雙饋式感應風力發電機組大規模應用于國內外不同環境條件的風場。

雙饋異步發電機是一種繞線式感應電機，是變速恒頻風力發電機組的核心部件，也是風力發電機組國產化的關鍵部件之一，在整個風力發電機組的國產化比率中占據著舉足輕重的地位。

本文以某公司應用于某兆瓦級雙饋風力發電機組的雙饋異步發電機為研究對象，根據大量風電機組中雙饋異步發電機的實際故障案例，分析其關鍵部件的潛在失效模式，總結故障失效產生原因和導致后果，并提出有效的改進優化方案，保證實施效果。

1 雙饋異步發電機基本結構介紹

大型并網雙饋風力發電機組的雙饋異步發電機的定子繞組直接與電網相連，轉子繞組通過變頻器與電網連接，轉子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運行要求由變頻器自動調節，滿足機組在不同的風速下實現恒頻恒壓發電，并滿足用電負載和并網的要求。

雙饋風力異步發電機主要由電機本體、冷卻系統兩大部分組成。電機本體由定子、轉子和軸承系統三大主要部分組成。定子包括機座、定子鐵心、定子繞組等。轉子包括轉子鐵心、轉子繞組、轉軸等。軸承系統包括軸承、端蓋、軸承蓋等。其中軸承為高品質絕緣軸承或端蓋絕緣結構，避免轉子變流器供電帶來的諧波產生的共模電壓引起的軸電流對軸承的損害?；h-刷架系統是雙饋風力發電機的關鍵部件，轉子變流器通過電纜、刷架、電刷及滑環將頻率、幅值和時刻變化的三相電流引入轉子繞組。滑環安裝在電機轉軸上，刷架系統安裝在滑環室內，電刷安裝在刷盒內，通過恒壓彈簧壓在對應的滑環上[1]。

2 關鍵部件潛在失效模式及后果分析

雙饋異步發電機的某些關鍵部件的故障或失效會對雙饋異步發電機乃至整個風力發電機組產生損害性的影響。

分析風電機組雙饋異步發電機關鍵部件的潛在失效模式及導致后果可以分別為雙饋異步發電機的設計過程和制造過程提供糾正措施和更改證明，更有效地降低失效模式造成的風險和損失，降低成本，增加經濟效益。

下面分別關于雙饋異步發電機的五個關鍵部分：定轉子絕緣結構、軸承、絕緣軸承座或絕緣軸承、滑環、刷架（碳刷）討論其故障原因和優化改進方式。每個部件分別從部件功能要求、潛在失效模式、產生原因、導致后果等方面分析陳述，并提出現行控制方法和建議實施措施。

2.1 定轉子絕緣結構

部件名稱：定轉子絕緣結構

部件功能要求：實現電機壽命20年可靠運行。

潛在失效模式：定轉子匝間絕緣強度不夠和對地絕緣強度不夠或絕緣匝間擊穿而引起電機故障。

產生潛在失效的原因：

（1）發電機定轉子的絕緣結構設計不合理或選材不當。

（2）絕緣材料的耐熱溫度低，耐電強度不夠。

（3）工人操作過程中未能保證足夠的電壓爬電距離和防暈處理。

（4）絕緣處理未控制好絕緣材料的環境性能。

（5）絕緣擊穿應從以下兩方面分析處理，發電機發生異常情況，短時電壓過高；絕緣電阻低，原因為線圈不潔、過熱、過潮、環境溫度過低和絕緣老化等。

潛在失效導致后果：發生嚴重電機故障，顛覆性的故障使電機完全失去其功能。

現行控制方法：根據電機的電壓等級設計合理而又可靠地絕緣結構；選擇符合設計要求的絕緣材料，并選樣進行材料熱老化和電老化壽命試驗；操作時注意爬電距離的控制，避免機械損傷絕緣結構；控制絕緣材料在20-25℃的無塵恒濕的環境里存放。

建議措施：對絕緣結構進行某溫度下的壽命設計和電老化壽命試驗，確保電機20年壽命功能的實現；保證絕緣材料的存放環境條件；加強操作工人對絕緣材料的理論認識和實際操作技能的培訓。

可實施措施：制定相關定轉子線圈及嵌線工藝守則及檢驗依據。

2.2 軸承

部件名稱：軸承

部件功能要求：實現發電機定、轉子間的連接。

潛在失效模式：軸承與端蓋軸承室的裝配間隙、軸承與前后軸承蓋的裝配間隙、軸承油隙的選擇、潤滑類型的選擇、選型不當、碾壓疲勞、軸電流等都將使軸承失效，從而對電機的運行帶來顛覆性的故障。

產生潛在失效的原因：

（1）軸承內圈與轉軸的過盈量太大；軸承外圈與端蓋軸承室的配合不當，異物侵入或生銹。

（2）滾動體與內外圈之間的游隙選得較小，在軸承發熱時將使得游隙變小，至發生滾道卡死的現象。

（3）軸承選型不當或不正確操作導致過載，造成碾壓疲勞。

（4）潤滑油選擇不當。

（5）電機振動大及裝配質量等多方原因。

潛在失效導致后果：

（1）由于軸承配合不當，使得軸承發熱，滾動體卡死于軸承內外滾道，不能實現電機旋轉，從而不能實現其功能。

（2）軸承過熱導致軌道變色和潤滑油變質，變質的潤滑油在表面沉積。

（3）軸承的碾壓疲勞會造成滾子軌道表面被剝離，表面發生剝離后非常粗糙。

（4）電機振動造成摩擦損失和摩擦侵蝕。

以上情況引發故障會導致停機修理，甚至造成電機損壞。從而增加了停機時間，減少了發電量，造成巨大的經濟損失。

現行控制方法：

（1）準確計算軸承在極端負荷下發熱而引起熱變形大小，選擇適當的軸承配合公差和滾動體與滾道之間的游隙。

（2）根據負荷類型選擇合適的軸承。

（3）根據電機的運行條件選擇適應環境條件的潤滑脂或油。

（4）加強裝配質量的控制，改善配合。建議措施：

（1）對軸承進行壽命計算，確保17500小時的使用壽命。

（2）確保裝配軸承的清潔度，不使用不潔凈的油清潔軸承配合面。

（3）裝配在發熱端的軸承宜選用大游隙的類型。

（4）控制尺寸鏈在設計要求的范圍內。

（5）按規范要求進行軸承的采購并進行入庫驗收，明確軸承的游隙狀態及配合尺寸精度。

（6）加強裝配質量的控制[2]。

可實施措施：按規范要求進行軸承的采購并進行入庫驗收，明確軸承的游隙狀態及配合尺寸精度；裝配車間技能工人進行軸承及維護相關知識的培訓，加強裝配質量的控制，制定軸承裝配工藝守則。

整機送至試驗臺上做負載運行考核，裝配質量，滿足軸承發熱及機組振動要求。

2.3 絕緣軸承座或絕緣軸承

部件名稱：絕緣軸承座或絕緣軸承

部件功能要求：防止由于轉子變頻電源供電引起的共模電壓擊穿軸承滾動體與滾道之間的油膜，產生電流流過滾動體，從而使滾道由于電流腐蝕發熱，燒壞軸承[3]。

潛在失效模式：共模電壓擊穿軸承滾動體與滾道之間的油膜產生的電流流過滾動體，從而使滾道由于電流腐蝕發熱，燒壞軸承。

分析產生潛在失效的原因：變頻電源的高頻諧波成分太高；軸承座的絕緣耐電強度不夠。

潛在失效導致后果：軸承滾道由于電流腐蝕發熱燒壞軸承，使得電機不能正常運行，必須更換軸承才能運行，造成經濟損失。

現行控制方法：降低電機諧波的電磁和結構設計；加強軸承座的絕緣強度，保證絕緣電阻達到 200M?。加裝接地電刷，保證軸電流通過電刷流向地而不通過軸承。

建議措施：加強軸承座的的絕緣強度，保證絕緣電阻達到200M?。

可實施措施：裝機變頻電源供電下進行空載軸電壓及負載軸電流的測定并觀察軸承發熱情況。在電機兩端加裝接觸良好的接地電刷。

2.4 滑環

部件名稱：滑環

部件功能要求：實現將轉子的電路參數引出至外電路。

潛在失效模式：不能將轉子性能參數引出，從而不能實現其功能要求。

產生潛在失效的原因：相環與導電桿的接觸導電面不良或斷開，引起接觸電阻增大從而引起接觸發熱；另一原因為導電桿與其他相環的絕緣擊穿。

潛在失效導致后果：滑環是電接觸面，正常運行時會留下電刷的刷痕，滑環的表面質量反映出電刷的運行特性。滑環一旦出現損傷，就必然在與電刷摩擦時產生振動和沖擊，既磨損電刷，也加劇滑環損傷[4]。導致電機不能運行或燒毀，不能控制雙饋風力發電機。

現行控制方法：測量導電桿與相環的接觸電阻，控制在千分級歐姆之內。

建議措施：導電桿與相環之間連接采用過盈穿入，用銀焊牢，并保證與相鄰相環的絕緣電阻大于500M?。測量導電桿與相環的接觸電阻滿足規范要求，每相阻值均勻，滿足不平衡度要求。檢查導電桿與相鄰相環的絕緣電阻和對地耐壓 6500V，1min，絕緣電阻大于500M?。

可實施措施：滑環的維護非常重要，建議檢查周期為6個月。

如果滑環的徑向跳動超差，要求重新打磨滑環，表面粗糙度要求 Rz10。在運行時間約 500h之后滑環表面會出現小刷痕，小刷痕不會影響到滑環的安全性能。如果表面有燒結點，大面積燒傷或燒痕，滑環徑向跳動超差，必須重新打磨滑環。

如果出現小污點，需按旋轉方向來重磨滑環，此磨具必須與滑環的實際彎曲面一致。盡可能不要磨掉光澤層，磨削時要注意滑環最小直徑（初始直徑為320mm，最小直徑為 310mm）。當滑環直徑小于最小直徑時，必須更換滑環。

2.5 刷架（碳刷）

部件名稱：刷架（碳刷）

部件功能要求：刷架是固定碳刷在刷盒中的穩定支撐，并實現轉動滑環與外靜止電路的導電通路部件。

潛在失效模式：由于電機振動和環境運行條件的不滿足，將會引起滑環表面磨損、不光滑，并引起在滑環表面的導電氧化膜的建立情況不好。

產生潛在失效的原因：碳刷恒壓彈簧的壓力不均勻和滑環跳動量太；電刷的材質硬度大，從而引起滑環表面損傷，影響滑環表面氧化膜的建立，且加大了碳刷的磨損，從而引起碳刷和滑環表面接觸不良；也有可能不能滿足滑環的環境工作條件要求。

潛在失效導致后果：拉弧產生相環短路，從而燒壞滑環并熔蝕碳刷，致使電機不能正常運行和實現控制功能。

現行控制方法：控制滑環的徑向跳動在要求的范圍 0.05mm以內，調整恒壓彈簧的壓力至一致，保證滑環及碳刷的運行環境條件。

建議措施：控制滑環的徑向跳動在要求的范圍0.05mm 以內,調整刷架恒壓彈簧的壓力至一致，保證滑環及碳刷的運行環境條件在60～90℃。

可實施措施：根據整機運行環境，調整滑環室的環境為 40%的濕度和 60～90℃的滑環溫度；保證滑環裝配后的整體跳動量在 0.05mm以下，并保證恒壓彈簧的壓力一致。

3 結論

風力發電技術是一項正在不斷進步，不斷優化完善的產業，所以有許多方面的改進工作需要持續進行。

本文闡述的應用于風力發電機組的雙饋異步發電機關鍵部件的失效模式、后果分析和建議改進措施為產品的設計和制造提供定性的設計指導和安全性、可靠性問題指示。通過對潛在的失效模式和其相關原因產生的消除或減少來避免或減少雙饋異步發電機在制造和機組運行過程中潛在的后果，提高運行可靠性。

通過對潛在失效模式及其后果的評估結果，對潛在風險大的情況優先采取技術措施。只有對雙饋異步發電機的關鍵部件的潛在失效風險進行有效可行的控制，才能更集中地使用時間、人力資源和其他資源，避免由此造成部件損壞和經濟損失，以保證整個風力發電機組的可靠性運行。

[1] 姚陶生, 賀志學, 賈健, 石永.大功率雙饋異步風力發電機技術創新的發展方向[J].電氣技術,2009, 08, 65-67.

[2] 苗澍.潛在失效分析在軸承設計中的應用[J].哈爾濱軸承, 2010, 03, 9-10.

[3] 曹秀中.軸承套圈退火過程潛在失效模式及后果分析[J].無錫職業技術學院學報, 2010, 03, 70-72.

[4] 唐德堯, 曾承志, 李合林.雙饋風力發電機電刷滑環故障信息分析及維修建議[J].風能, 2010,06,54-56.