雙饋發電機轉子繞組中性環結構與故障分析研究*

溫 斌，李成晨，仝世偉，程林志，蘇鳳宇

(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著風電行業的發展，雙饋發電機、鼠籠異步發電機和永磁同步發電機已經占據風電發電機的主體市場，其中雙饋發電機又以其調速范圍寬、有功和無功功率獨立可調節以及所需勵磁容量較小的優點，迅速成為我國風電機組中的主流機型[1]，但同時由于雙饋發電機復雜的控制策略以及惡劣的運行環境也使其故障頻發[2-3]。如何提高產品質量、降低故障率已經成為雙饋風電機組研究的主要方向。

目前，雙饋發電機轉子繞組一般采用星形接法，轉子繞組通過位于端部的中性環實現三相繞組的星形連接且中性環對于繞組三相平衡起著重要的作用。一旦中性環出現問題將直接導致變流器過流故障甚至轉子繞組缺相等故障，嚴重影響機組使用率與發電量。目前在環境溫差與風況變化較大的風電場已經出現由于轉子繞組中性環故障而導致的機組停機甚至更換發電機的情況，而且該問題導致的故障率隨著機組運行時間的增長呈現上升趨勢。為此，研究發電機轉子繞組中性環結構與故障原因，對于提高雙饋風電機組穩定性與降低故障率具有重要價值。

為提高雙饋發電機穩定性，國內外開展了廣泛的研究。苗旭芳[4]通過分析雙饋發電機定子引出線故障，明確定子引出線焊接方式；馬宏忠等[5]提出雙饋發電機定子發生匝間短路故障后繞組中會感應出負序電流，并利用負序電流對電機故障進行檢測的方案；李和明與STEFANI A[6-7]通過分析雙饋發電機定子繞組的并聯支路環流情況來檢測轉子繞組匝間短路的故障；張正東等[8]提出通過小波分解與小波能量譜相結合的方法提取雙饋電機轉子繞組不對稱故障的特征量。目前的研究側重于繞組整體且絕大多數集中在對繞組絕緣、短路分析與診斷方面，但對于轉子繞組中性環結構與故障的研究極少。

本文以某型雙饋發電機轉子中性環故障情況為例，通過建立轉子繞組中性環模型，再基于ANSYS Workbench對其進行結構分析與模態分析，根據分析結果與故障情況的對比，對故障部位取樣并進行微觀與金相分析，確定中性環故障原因。

1 中性環結構與故障情況

中性環是連接雙饋發電機三相繞組實現繞組星形接法的重要部件，其通過3個連接塊與短接環將轉子每相繞組進行連接。由于中性環與連接繞組間存在位置偏移，一般將中性環連接塊設計為異形彎曲結構。以某型額定轉速1 800 r/min雙饋發電機為例，其轉子繞組中心環位置與連接情況如圖1所示。

圖1 轉子繞組中性環位置與連接示意圖1—轉子K相繞組；2—轉子K相中性環連接塊；3—轉子L相繞組；4—轉子L相中性環連接塊；5—轉子M相繞組；6—轉子M相中性環連接塊；7—中性環

在實際風場運行中，筆者發現個別使用該型雙饋發電機的機組出現轉子繞組斷相故障，經過檢查發現該發電機轉子繞組中性環連接塊中間位置出現燒損斷裂，如圖2所示。

圖2 轉子繞組中性環連接塊燒損情況

通過對比可以看出，故障位置正位于連接塊異形彎曲處。

2 數值模擬

2.1 物理模型建立

通過分析圖1結構可以看出：該型雙饋發電機轉子中性環由短接環與連接塊組成，兩者之間采用釬焊進行連接。故障點位于中性環連接塊處，而連接塊與短接環焊接點沒有任何問題。為簡化計算，本研究將焊點進行簡化處理，將短接環與連接塊進行布爾整合處理。在實際操作中中性環所有部件均采用絕緣材料進行絕緣處理與綁扎，但該絕緣材料對于結構影響極小，為簡化計算，本文未將其考慮在內。

本研究建立的物理模型如圖3所示。

圖3 中性環物理模型示意圖

2.2 網格劃分與邊界條件設置

為較為精確地對轉子繞組中性環進行仿真模擬分析，筆者在網格劃分中采用“Mechanical”物理場參照類型，使用Hex Dominant(六面體主導網格劃分)方法進行精細化劃分[9]，中性環單元數為16 561。

本研究設置中性環材質為紫銅(t2)。為分析其結構性能，筆者在中性環中心處加載角速度慣性載荷，設定為發電機最高工作轉速1.2倍即2 484 r/min。并將3個連接塊頂部端面施加位移約束，即限制X軸、Y軸、Z軸方向平動，短接環設置為自由狀態。

根據故障分析需要對該中性環結構應力、應變與變形進行仿真分析。

3 結果與討論

3.1 仿真結果與分析

本研究通過仿真分析，獲得該雙饋發電機中性環應變與應力分析云圖，如圖(4，5)所示。

圖4 應變分析云圖

圖5 應力分析云圖

通過對短接環自由狀態時中性環結構仿真分析結果可以看出：在該狀態下連接塊應力與應變均非常大，并且應力值283.9 MPa已經超過紫銅抗拉伸強度230 MPa～240 MPa，該中性環結構存在嚴重風險。

根據雙饋發電機使用工況，需要對該結構進行優化處理。結合中性環結構特點，本研究采用加固短接環方式對該繞組中性環進行結構加強。筆者通過進一步拆檢并切割故障發電機中性環后發現，該型發電機轉子中性環短接環已經采取“C”形加強結構，如圖6所示。

圖6 中性環加固結構示意1—中性環加強結構；2—絕緣材料；3—中性環

短接環最外層采用“C”形鋼加固并在二者中間填充絕緣材料以確保中性環電氣絕緣，“C”形鋼與轉子支撐通過焊接方式進行可靠連接以提高整個結構的穩定性。

3.2 加強中性環結構分析

由于短接環加強結構通過焊接方式與轉子支撐架進行可靠連接，為簡化分析，本研究在圖3模型中對短接環增加一個X軸、Y軸、Z軸方向平動約束以模擬該“C”形加強結構。

通過仿真得到該加強結構中性環各部分應力與應變分析云圖，如圖(7，8)所示。

圖8 應力分析云圖與彎曲處應力情況

通過對中性環加強前后的仿真結果對比分析可以看出：使用短接環加強結構后，應力、應變較加強前大幅降低，且中性環連接塊異形彎曲處應力值僅為18.4 MPa，完全符合材料使用要求，如表1所示。

表1 短接環加強前后中性環連接塊處最大仿真值

但同時通過分析加強前、后的中性環仿真情況可以看出：該中性環連接塊彎曲異形部位應力與應變相對其他部位依然偏大，該彎曲異形部位依然存在應力集中的問題。

3.3 加強中性環模態分析

為避免由于加強結構中性環部件固有頻率與發電機旋轉頻率重合而出現共振，從而導致中性環振動過大而出現損壞，本研究在ANSYS Workbench環境中對短接環加強后的中性環進行模態分析，最終獲得結構優化后中性環固有頻率為5 201.3 Hz、5 201.5 Hz、5 203.3 Hz、8 871.6 Hz、8 872.8 Hz與8 874 Hz。

該型雙饋發電機最大工作頻率為16.7 Hz～41.4 Hz。通過分析可以得出，該加強后的中性環結構各部件在工作轉速范圍內均不會出現共振問題。

4 實際測試

通過仿真分析可以看出：采用短接環加固結構的中性環在結構設計上完全可以滿足使用要求。為驗證其結構的有效性，本研究切取故障發電機中性環連接塊與非故障發電機(非故障發電機為運行時間與中性環故障發電機相當的其他發電機)中性環連接塊進行微觀分析。

通過分析發現：非故障發電機中性環連接塊表面沒有任何缺陷，微觀檢查材料連續無缺陷。中性環故障發電機中性點連接塊表面完好，微觀檢查材料存在明顯的裂紋，不同發電機中性環連接塊微觀檢查情況如圖9所示。

(a) 故障發電機的中性環連接塊微觀情況

(b) 非故障發電機的中性環連接塊微觀情況

分析該型雙饋發電機中性環仿真與測試情況可知：采用短接環加固結構的中性環雖然在異形彎曲位置存在應力集中情況，但可以滿足使用要求；而對于中性環故障發電機連接塊出現的內部裂紋，需進行詳細的檢查、分析。

5 故障分析

由于該型雙饋發電機有3個中性環連接塊，而燒損斷裂僅出現在其中一個連接塊中。為確定中性環燒損故障原因，筆者切取剩余未損壞連接塊進行分析。

5.1 橫截面分析

本研究將取樣的中性環連接塊異形彎曲部位截取橫截面，發現存在大量褶皺狀紋理，取樣連接塊橫截面情況如圖10所示。

圖10 取樣連接塊橫截面情況

經分析可以看出：該結構存在明顯的金屬疲勞。分別截取樣件表層與內部進行顯微檢查發現：連接塊材料存在2 μm～3 μm孔狀物，顯微檢查結果如圖11所示。

(a) 表層的光學顯微鏡檢查結果(×500)

(b) 表層的電子顯微鏡檢查結果(×1 000)

(c) 內部的光學顯微鏡檢查結果(×500)

(d) 內部的電子顯微鏡檢查結果(×1 000)

通過對取樣連接塊橫截面金相檢查發現，在金屬內部出現較為明顯的晶界分離，取樣連接塊橫截面金相圖如圖12所示。

圖12 取樣連接塊橫截面金相圖

通過以上的分析可知：該中性點連接塊材料內部存在“氫脆”情況。

5.2 材料“氫脆”分析

“氫脆”是指在高溫條件下發生如下反應：

Cu2O+H2→Cu+H2O

(1)

Cu2O+C2H2→Cu+H2O+CO2

(2)

Cu2O+CO→Cu+CO2

(3)

反應生成的水蒸氣等在晶界上聚集，當壓力超過材料的強度時，會引起晶界開裂。研究表明：在820 ℃、H2氣氛下退火20 min，紫銅中氧含量小于0.001%時，不會產生晶界裂紋；氧含量達到0.001 6%時，會產生連續晶界裂紋；氧含量達到0.002%時，會產生嚴重晶界裂紋[10]。

進一步分析可知：由于在焊接過程中，中性環連接塊燃料中氫、碳原子進入紫銅內部與氧原子發生反應，在材料內部形成氣囊，導致連接塊塑性下降，脆性上升。在雙饋發電機長期運行過程中連接塊彎曲異形部位應力、應變較大處晶界裂紋不斷擴展進而出現疲勞斷裂。

5.3 解決方案

綜合上述結構與材料分析結果，提出以下的解決方案：

(1)修改中性環連接塊結構，避免異形彎曲采用圓滑過渡并減小連接塊長度，降低結構應力集中風險；

(2)改善中性環連接塊焊接方式，避免外界環境氫、碳等原子的進入，例如采用中頻釬焊或電阻焊接；

(3)采用含氧量極低的無氧銅(如TU1或TU2)，以徹底消除“氫脆”風險。

6 結束語

以某型雙饋發電機轉子繞組中性環結構與故障情況為例，本文通過建模仿真、微觀對比測試與金相組織分析，對雙饋發電機中性環結構與故障原因進行了分析、研究。通過分析發現：故障發電機中性環連接塊處存在材料氫脆情況甚至明顯的微裂紋，最終確定了材料氫脆與連接塊異形彎曲部位應力集中導致中性環連接塊出現疲勞斷裂而燒損。

根據分析結果，本研究對該中性環從結構、工藝與材料方面提出了解決方案，該方案可對轉子繞組中性環故障分析與優化處理提供參考。

:

[1] 舒 進，張保會，李 鵬，等.變速恒頻風電機組運行控制[J].電力系統自動化，2008，32(16);89-93.

[2] KAIDIS C，UZUNOGLU B，AMOIRALIS F. Wind turbine reliability estimation for different assemblies and failure severity categories[J].IETRenewablePowerGeneration，2015，9(8):892-899.

[3] CHEN B，MATTHEWS P C，TAVNER P J. Automated on-line fault prognosis for wind turbine pitch systems usin g supervisory control and data acquisition[J].IETRenewablePowerGeneration，2015，9(5):503-513.

[4] 苗旭芳.雙饋發電機定子引出線故障處理[J].電力與能源，2015，36(3)：440-442.

[5] 馬宏忠，張志艷，張志新，等.雙饋異步發電機定子匝間短路故障診斷研究[J].電機與控制學報，2011，15(11):50-54.

[6] 李和明，李 爽，李永剛，等.雙饋風力發電機轉子匝間短路故障分析[J].電力科學與工程，2012，28(6):1-5.

[7] STEFANI A，YAZIDI A，ROSSI C，et al.Double fed induction machines diagnosis based on signature analysis of rotor modulating signals[J].IEEETransactionsonIndustryApplication，2008，44(6):1711-1721.

[8] 張正東，馬宏忠，陳濤濤.雙饋異步發電機轉子繞組不對稱故障的診斷研究[J].微電機，2014，47(9)：42-45.

[9] 黃志新，劉成柱. ANSYS Workbench14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[10] 張智強，楊 忠.T2紫銅工藝品熱變形脆裂分析[J].理化檢驗，2000，36(5):226-227.