發電機軸電流的抑制和釋放改造方案

劉 勇

山西華電廣靈風力發電有限公司 山西 大同 037000

1 概述

軸承是發電機的重要組件，充分考慮其工作環境要求軸承具有高可靠性和高經濟性并存。軸承發生損傷有多種原因，對風力發電機而言，軸電流導致的滾動軸承過電流損傷問題較為顯著。為減輕直流電流和低頻交流電流的影響，需要對發電機軸電流的抑制和釋放進行優化改造措施。防止軸電流對發電機各軸承造成損壞，確保發電機組安全運行。

2 原因分析

軸承的失效形式主要包括疲勞、磨損、腐蝕、電蝕磨損、塑性變形及裂痕，每種失效模式對應其產身的原因。目前風電機組軸承失效的主要原因有以下幾種：

2.1 發電機軸電流強度高 目前雙饋型風力發電機多采用兩電平電壓型雙PWM變頻器，且均采用IGBT作為其功率元件。IGBT的電壓變化率很大，一般超過3000V/us，會對電機絕緣產生強烈的沖擊作用。兩電平電壓源PWM式變頻器的三相瞬態輸出之和不為零，存在較高的共模電壓。對于雙饋型風力發電系統，機側與網側變頻器各自產生的共模電壓均會在軸上感應出電壓。軸與地導通就會釋放電流，消除軸靜電壓。一般認為，足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在30V到100V之間。

正常情況下，軸承的滾珠與滾道間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用。但當軸電壓超過油膜能承受的擊穿電壓時，軸承將產生放電，產生軸電流。軸電流將從軸承的滾珠和滾道的接觸點通過，當通過接觸面的軸電流密度超過0.2A每平方厘米時，就可能對軸承產生電蝕。

可以使用萬用表檢測軸電流與軸電壓。也可以使用示波器查看軸電壓情況。可以反映出發電機軸對地放電的程度。電流過大電壓過高，預示著對軸承的電腐蝕越強。

2.2 發電機接地系統問題 發電機的接地系統主要是集電環的接地。集電環接地電刷造成滑環或接地環表面接觸面積太小(要求≥80%)，或僅局部接觸，造成通過電流急劇增大，使滑環或接地環表面產生電蝕，即出現點蝕或小坑，使滑環或接地環表面變得粗糙，嚴重地破壞了表面的氧化膜，使得電刷磨損變快。同時粗糙的表面也使得電刷的接觸面積變得更小，如此惡性循環，表面會越來越粗糙，電刷會磨損越來越快。

集電環接地效果不斷惡化，軸電壓就會找新的出路來釋放，造成軸承的電蝕，最終會導致軸承失效。

2.3 檢查軸承是否存在損傷 檢查軸承是否存在方法主要是聽軸承的運轉聲音是否平滑，檢測發電機運轉時的振動是否超標。

檢查軸承潤滑是否充分。軸承潤滑不充分主要是潤滑油加注不及時，目前發電機一般都采用自動潤滑。所以要檢查自動潤滑系統運轉是否正常。還有一個原因就是潤滑油失效，在排除潤滑油本身的問題后，在風電上引起潤滑油失效的原因是軸電流引起的潤滑油碳化。

如果軸承潤滑不充分，軸承在運轉過程中，就會出現溫度升高，

2.4 發電機不對中問題 用激光對中儀檢查發電機是否存在不對中問題。如果發電機對中達不到要求，發電機在運轉過程中就會對發電機軸承施加額外的載荷。軸承在額外載荷的作用下會產生高溫。高溫不僅會加快潤滑油的失效，使潤滑效果惡化，而且會使軸承內圈受熱后材料軟化與滾動體相互作用形成凹坑；同時內圈發生膨脹，與轉軸發生相對運動產生高溫造成軸承燒死粘合。

3 改造方案

針對以上原因，我們提出針對發電機軸電流優化改造措施分為兩部分：

1)抑制發電機軸電流產生，即使用共模扼流圈抑制機側與網側變頻器各自產生的共模電壓；

2)釋放發電機軸電流，即采取發電機多點接地的方式，將已生成的軸電流釋放到地電位，避免對軸承產生電蝕。

3.1 加裝共模扼流圈抑制共模電壓

3.1.1 共模扼流圈的原理 為了達到有效的抑制軸承電壓電流，減少破壞，避免高的維護，維修，更換成本，減少停機周期。使用共模扼流圈，中間穿過變流器輸出端的電纜線是一種十分有效的解決辦法。如下圖所示：

這種方法顯著的提高了電機的軸承服務壽命，大大的降低了日后的維護成本，減少了電機的停機周期。最重要的是，我們必須保證所用的共模扼流圈能承受實際的軸承電壓電流(共模電流，不平衡電流)，即在不平衡電流下工作不能飽和，尤其是當他們用在大功率的變頻器系統中的時候。

3.1.2 共模扼流圈的安裝 由于變流器是所有共模電流/電壓產生的根源，所有需要將磁芯安裝靠近變流器的位置，若是現場的線纜長度超過30米，考慮到線纜的分布參數特性，建議在電機側也加裝少量的磁芯，以消除電纜的分布效應。

將多個尺寸合適的疊加在一起(可按實際結構情況固定)，中間穿過變頻器輸出端的電纜線，這是一種十分有效的解決辦法。在這種結構中，共模扼流圈起共模電感的作用。

3.1.3 安裝效果測試 以下示波器波形為某風力發電機組在滿載的情況下，分別測試共模扼流圈加裝之前和加裝之后的效果。

共模電流變化對比，左圖為初始共模電流，共模電流達到47A，右圖為加裝濾波扼流圈的波形，共模電流為24A，幅值降低23A，49%以上變化，并且寄生高頻毛刺明顯減小。下表為測試效果對比：

項目序號共模電流(A)峰峰 最大 均方根初始數據 46.4 22.2 4.94增加扼流圈后 24.8 14.0 3.14

通過測試對比結果可以明顯看出，共模扼流圈對抑制共模電流有明顯作用。

3.1.4 共模扼流圈的特點

1)高飽和磁感應強度，不容易飽和，適用于各類環境；

2)高初始導磁率，則意味著高阻抗，抑制效果好；

3)良好的溫度穩定性，工作范圍在-40℃-180℃，性能穩定，適合各類環境；

4)免維護，一旦安裝上去，后期無需維護，更換；

5)性價比高，優質的品質，優異的效果，較低的價格；

3.2 加裝發電機多點接地釋放軸電流

3.2.1 發電機多點接地的原理 在檢查確認電機滑環室內接地連接可靠的前提下，增加輸入端接地措施，從而提升接地可靠性。原理及效果圖如下圖所示：

3.2.2 發電機多點接地安裝 由于兆瓦級風電機組其雙饋異步發電機外形機構及工作原理基本一致，下面以天元發電機為例，具體改造方法如下：

1)在發電機驅動端軸上固定表面光滑的接地環，使其與發電機軸緊密接觸且牢靠。

2)在發電機驅動軸端蓋上安裝接地刷架，并將碳刷報警接線串聯到定子接線盒中的集電環碳刷報警回路中，如下圖所示：

3)將接地刷架的接地線圍繞電機引到非驅動端，如下圖所示：

4)將接地線接到非驅動端集電環地環地線上通過轉子接線盒導出，如下圖所示：

3.2.3 安裝效果測試 下圖為在電機廠家進行多點接地改造后的測試現場

下圖為傳動端不接刷時的軸電壓及軸電流。

下圖為傳動端接刷時的軸電壓及軸電流。

1通道 傳動端軸對傳動端軸承蓋螺栓的軸電壓

2通道 傳動端軸對非傳動端接地塊的電壓

3通道 傳動端軸電流

4通道 非傳動端軸電流

從兩圖對比來看：多點接地對釋放軸電壓有明顯的效果。