雙饋系列風力發電機塔上典型失效模式分析

曹 杰

（北京京城新能源（酒泉）裝備有限公司，甘肅酒泉 735000）

0 引言

雙饋電機運行時機械、電氣、磁路、通風散熱等系統等相互關聯，涉及電、機、磁、力等物理化學過程。從故障機理可知，雙饋異步電機處于異常運行或故障狀態時，必然會引起一些電氣量（電流、電壓、功率、轉矩等）或非電氣量（光、聲、熱量、振動等）的變化，這些變化是檢測和判斷故障類型、程度的重要資料 。從電機結構來看，分為定子故障、轉子故障、軸承故障和氣隙偏心故障等，其中軸承部分故障占40%，定子部分為38%，轉子部分為10%[1]。

1 軸承本體損壞及引發的關聯故障

1.1 軸承本體故障及監測方法

軸承故障分為內圈故障、外圈故障、滾動體故障以及保持架故障，上述故障發生會產生周期性沖擊，從而觸發振動測量傳感器信號，通過對振動信號的分析提取故障源信號，最終診斷出軸承故障。

通過軸承故障—電機轉軸振動—氣隙振動—氣隙磁通受到調制—定子繞組內感生出諧波電流。所以通過對定子電流的信號分析處理來診斷軸承故障也是一種檢測手段。

1.2 軸承振動引起軸頸或端蓋損傷

軸承振動分機械裝配方面和電磁方面引起電機振動，造成電機端蓋與軸承外圈配合間隙增大；引起軸承振動，造成電機軸頸與端蓋損壞。軸頸與軸承內圈配合處，端蓋與軸承外圈配合處均因振動原因產生較深劃痕，磨損嚴重，需經補焊并重新加工后才能繼續裝配使用。

產生上述磨損的原因分析：①發電機地腳緊固松動；發電機對中超差；轉軸彎曲變形；定、轉子鐵芯磁不同心；轉子動平衡不良等；②軸承端蓋內孔與軸承外圈配合不當。軸承外圓與端蓋孔的配合采用基軸制，采用j6，j7配合[2]；內圈與軸過盈配合，在施加負荷時不會在內圈與軸配合表面上產生滾動或滑動。不旋轉外圈常采用間隙或過擅不大的配合。配合不當會導致振動產生，進而發生損壞；③電磁方面主要是不平衡運行，例如：定子繞組存在接線頭松動，或開關存在接觸不良；定子繞組有一相或兩相發生短路或斷路；外電路三相負載不平衡均會引起發電機不對稱運行導致軸承振動。

1.3 軸與集電環的電腐蝕現象

電機修理過程中發現軸摩擦表面凹坑是電機的常見故障之一，該故障可使軸承燒死電機無法運行，且嚴重損壞電機轉軸與軸承接觸表面，致使轉軸與軸承報廢。電機在出廠前進行了嚴格試驗，軸承振動、溫升、噪聲各項指標均檢測合格。分析軸承燒死與軸表面凹坑的原因。電機在運行一段時間后，轉軸軸承位表面經常出現許多小而深的圓形蝕點，排除軸承本身質量、軸承安裝和碳刷摩擦的原因，另一個重要的因素就是軸電壓的存在。

軸電壓通常（8～10）V，旋轉電機在運行中產生軸電壓的原因有軸交鏈交變磁通和靜電荷積累兩種，雙饋機組多采用滾動軸承，軸電流的損傷更加嚴重，只有軸電流＜1 A時，一般滾動軸承才能穩定運行[3]。

通常，軸兩端只會存在很小的電位差，倘若存在較高的電位差，就要從設計原因、制造缺陷、產生故障和電源條件進行考慮排查。軸電壓對電機的損傷是通過電流造成的，軸表面與軸承內圈表面產生電弧放電產生蝕點。隨著電機運行，電壓升高，電流會擊穿軸承內外圈之間的油膜，進而在軸、軸承內圈、軸承室、軸承外圈之間構成一個電流回路。電流不但破壞了油膜的穩定性，還破壞了軸與軸承的過盈配合。

鑒于上述問題的存在，目前風電機組中比較實用的解決方法：①電機設計生產過程中軸上增加了接地碳刷或銅刷，并對已經運行的機組進行塔上增加接地技術改造；②從設計上制造絕緣軸承室，涂絕緣涂層或安裝絕緣軸套，杜絕電流回路的產生[4]。

1.4 集電環的電腐蝕現象

電腐蝕的最終后果是集電環表面由于電火花而灼傷，表面凸凹不平。因此通過改變集電環的金屬材質，采用高導電性、耐高溫、耐腐蝕的合金材料可有效抑制電腐蝕的發生。但由于受集電環的安裝工藝及成本限制，此方法很難實現。碳刷與集電環接觸表面被破壞，導致碳刷更換周期變短成本上升。

電腐蝕的直接原因為集電環與碳刷之間產生電火花，使集電環過熱，從而燒灼集電環表面。為控制電火花的產生，應盡量減小集電環與碳刷之間的接觸電阻。為防止集電環表面過熱，應適當減小接觸面的電流密度。為此可以選用大截面的碳刷，用以增加集電環與碳刷的接觸面積，從而減小接觸電阻及接觸面的電流密度，同時選用高電流密度的碳刷，可有效抑制碳刷發熱，同時增加了碳刷的耐磨性。

現場最有效的措施是更換碳刷，更換碳刷雖然沒有解決問題的根源，但可有效抑制電腐蝕的發生，且現場很容易實現。同時結合定期用干燥的壓縮空氣吹掃碳刷支架及滑環凹槽，清理沉積的碳粉，從而減小滑環正負極之間的回路電流，可進一步抑制電腐蝕現象的發生，從而延長碳刷的更換周期，提高設備的運行可靠性。

2 其他故障引起的繞組損傷

2.1 雷擊造成繞組損壞

雷電是自然界中雷云之間或是雷云與大地之間的一種放電現象，其特點是電壓高、上升時間小，危害性大。即使避雷器保護，但雷擊過電壓對發電機所造成的損傷仍然不容忽視，特別是雷電壓沖擊對發電機繞組絕緣造成的損傷更為明顯，最終可能導致嚴重事故[5]。

在不考慮掃堂的情況下，發現定子與轉子上存在兩處及以上的大面積燒傷或擊穿情況，需重點考慮雷擊的因素，因為一般電氣故障在一點擊穿后，電機即停止運行，只有非常大的電流流過繞組才會出現兩處以上的絕緣擊穿現象存在。

2.2 機械損傷造成繞組損壞

（1）平衡環斷裂引起的繞組絕緣損傷。發電機解體后發現軸伸端平衡環開裂脫圈，平衡環撞擊定、轉子線圈端部，造成定、轉子線圈放炮，轉子端部無緯帶燒斷，定子線圈絕緣層破損。分析原因：①發電機平衡環材質或焊接質量或焊接位置存在問題；②發電機長期在振動超標的狀態下工作，造成平衡環最終在應力集中處開裂。

（2）風扇斷裂引起的繞組絕緣損傷。風扇的機械損傷產生的破壞方式與平衡環是一致的，且風扇斷裂也常發生在焊縫處、部件連接部位、螺栓孔把何處等引力集中部位，同樣會對定子與轉子繞組產生巨大破壞，影響機組的正常運行。

（3）異物竄入引起絕緣損傷。在發電機裝配、檢修、日常維護和運行過程中，倘若有導電體進入發電機繞組部位，將會產生放電，首先擊穿繞組絕緣或產生掃膛，進而引起電機繞組絕緣的整體性損傷，危害極大。

（4）繞組端部絕緣損傷。工作狀態下的發電機，繞組是發電機最脆的部位，機械損傷也最易觸發，而后引起電氣故障。反之，電氣故障最先損毀的也是繞組，繞組故障也就成了發電機的一個高頻故障點，而繞組端部又是繞組的一個薄弱點。

定子繞組槽內部分的穩定向較之端部要穩定，端接會因為突然短路而產生的強大電磁力沖擊受到破壞；突然短路瞬間對電機危害最為嚴重，不對稱突然短路時電磁轉矩更大，能達額定轉矩的10倍左右[6]，直接破環了定子繞組。

（5）引線故障。發電機組轉子磁極引線以銅芯電纜為主，連接集電環與磁極，長時間工作狀態下會產生，引線絕緣破損，銅線裸露燒灼。

發電機轉子單點接地，停止工作后信號消失的情況經常在電機運行時出現。測試轉子對地絕緣發現示值為2.5 MΩ，仍在最小允許的2 MΩ范圍內。該故障會多次出現，原因可能是引線或磁極損傷所致。機組在1400 r/min時，轉速較高、離心力較大，大的離心力導致絕緣損傷的可能性解釋比較合理。

3 風力發電機日常維護建議

（1）定期檢查軸承潤滑、集電環磨損、同時檢查發電機運行過程振動值，出現超標查找原因，建議3個月為周期進行檢查。

（2）嚴格按照半年檢、全年檢要求調整發電機對中。

（3）建議增加塔上發電機解體及電氣檢查，或通過改造在發電機端蓋加檢修孔，消除機械、電氣故障隱患。

（4）發電機運行過程出現同樣故障報警，一定要上塔查找原因，手動復位。

4 結論

發電機作為雙饋系列風電機組的核心部件，與機組的發電效率、運行穩定性、產成效益息息相關，但同時發電機又是機組一個故障頻發點，源于其復雜的結構和復雜的運行環境，以及塔上維修的局限性與塔下維修高額的成本，檢修維護人員在精確維護的同時，更應注重掌握故障預兆與故障變現形式，進而最大限度的將發電機故障控制在一個可預測、可控、可消除的層面上，使其更高效的參與機組的運行。