雙饋風力發電機軸承電腐蝕保護裝置改進研究

文 | 張劍

（作者單位：西門子電氣傳動有限公司）

近十年來我國風電得到迅速發展。隨著風電機組容量的不斷增加，變速恒頻風電機組已經成為目前風力發電領域的主流機型。其中，雙饋型變速恒頻風電機組更是由于變頻器容量小、發電機制造簡單等優勢得到了廣泛應用。由于風力發電機的工作環境惡劣，可能遇到各種復雜的天氣狀況和運行工況，軸承作為其中重要的易損部件，會出現各種故障問題，如軸承假性布氏壓痕、疲勞磨損、內圈跑套、軸承電腐蝕等。

本文主要對軸承電腐蝕情況進行分析，根據軸承電腐蝕產生原因、常規的軸承電腐蝕防護措施及軸承電壓的現場測試，提出一種改進的軸承電腐蝕保護裝置。

軸承電腐蝕原因

一、軸電流的產生

軸電流問題自電機發展以來就一直被行業所關注，因為它與軸承的實際壽命息息相關。目前行業內主要將電機的軸電流分為兩類：（1）“傳統”軸電流；（2）由變頻器產生的軸電流。

“傳統”軸電流在過去幾十年已經被廣泛研究，其主要是由電機內部磁通不平衡引起，不平衡的漏磁通主要是由產品機械零部件的設計公差和裝配過程引起，會在定子機殼、驅動端軸承、軸以及非驅動端軸承這個回路內感應電壓及電流。隨著電機尺寸的增大，磁路內的漏磁通會增大，感應電壓（可以通過測量轉子軸兩端的電壓大小進行評判，通常軸電壓的安全值小于0.5V）也會隨之升高。

由IGBT變頻器驅動的電機會產生新的軸電流現象，這些現象不能用之前“傳統”軸電流理論解釋。該電流是變頻器的工模電壓與電機內部復雜寄生電容共同作用的結果，其大小與變頻器的直流母線電壓和載波頻率息息相關。但迄今為止軸電流與軸承壽命之間尚不能通過清晰的關系進行關聯，這就是目前無法指定這類軸電流安全值的原因。然而，由PWM變頻器驅動而產生的軸電流同樣會像第一類“傳統”軸電流一樣加速軸承老化和損壞，因此，在一定情況下會減損軸承壽命。

二、軸承電腐蝕失效過程

電機正常運轉情況下，軸承內、外圈滾道與滾動體間存在的潤滑油膜會起到一定的絕緣作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜仍能發揮絕緣性能，不會產生軸電流。但當軸電壓積累到一定數值并大于軸承油脂的擊穿電壓時，它們就會在軸承中產生電弧，沿著與電機軸承之間阻抗最小的路徑放電（如圖1）。特別是在軸承內部滾道與滾動體形成金屬性接觸的瞬間，軸電流可達上百安培，導致軸承滾道產生小的麻點（凹坑）。當發生此情況時，由于溫度足夠高軸承鋼會熔化，軸承潤滑脂也會被燒毀。由于極為頻繁的放電，不久整個軸承滾道布滿的無數凹坑會造成過多振動和噪音。而當潤滑油中摻入熔化的金屬微粒后，油膜阻值降低又會加速這個過程，軸電流的電解作用使潤滑油炭化。這兩個過程都會造成油的潤滑性能變差，使軸承溫度升高，最終造成軸承電腐蝕失效。

常規的軸承電腐蝕防護措施

目前業內發電機制造企業針對軸承電腐蝕問題主要采取以下三種防護措施：

一、接地碳刷

在變頻器的工模電壓與電機內部寄生電容的共同作用下，轉子軸上會感應出高電勢，通過在非驅動端加裝接地碳刷使轉軸接地，可以消除軸上的感應電勢。但是由于磨損的接地碳刷會在表面形成氧化膜，增大碳刷與軸之間的接觸電阻，阻礙軸電壓的釋放，因此，需要定期對其進行維護和更換。同時還需要安裝磨損報警裝置，以預防碳刷失效。

二、絕緣軸承

為了阻斷軸電流通過軸承的路徑，可以在軸承內部添加絕緣，例如，在軸承外圈表面通過等離子噴涂工藝形成陶瓷涂層來阻斷不高于1000V的電壓。對于低頻交流電壓，絕緣效果取決于陶瓷層的純電阻值；對于高頻交流電壓則取決于陶瓷層的容抗值。目前絕緣軸承還屬于特殊應用范疇，由于各軸承制造廠家采用的方式不同，絕緣參數指標沒有形成統一標準，差異很大，而且絕緣軸承價格相對較高。

三、端蓋絕緣

阻斷軸電流的另一種方式是在軸承室與外端蓋之間加裝絕緣，常用的絕緣材料有UPGM203、SMC等。相比于陶瓷涂層，絕緣端蓋因具有更高的機械強度、阻燃性、絕緣電阻值和耐電壓強度，更低的電容值、吸水率及翹曲度等優點被廣泛采用。

改進的軸承電腐蝕保護裝置

圖1 軸承油膜擊穿和滾道凹坑

圖2 雙饋風力發電機組電氣原理

圖3 軸承電壓現場測量值

圖4 改造的接地刷架系統

圖5 安裝保護裝置后測量值

雙饋風力發電機組整個傳動鏈的簡化電氣原理圖如圖2所示。由于成本原因，大多數變頻器廠家本身沒有配備共模電壓濾波器，因此，變頻器產生的高頻共模電壓會經約百米長電纜放大后加到發電機轉子繞組上。電機內部寄生電容會把部分電壓分配到軸承形成軸承電壓，從而腐蝕軸承。軸承電壓特性與所配備變頻器的開關頻率和du/dt息息相關。所以，控制變頻器的共模電壓是解決軸承腐蝕問題的最直接方法，但由于成本較高，目前只能從發電機端去解決該問題。

市場調研發現國內某風電場33臺1.5MW雙饋風力發電機軸承電腐蝕故障率高達60%以上，統計的平均故障發生時間為2～3年。風電場實際測得高頻軸承電壓峰值高達190V（如圖3），可以得出正是由于這個高電壓瞬間擊穿潤滑油膜形成放電，從而造成軸承腐蝕。

基于對該型號電機軸承絕緣結構、端蓋尺寸和軸承電壓測試結果的研究分析，對電機非驅動端原有的接地碳刷系統進行額外添加一種接地保護裝置的改造，如圖4所示。該裝置通過支撐架安裝在軸承室外部，可以將軸承室的高電勢通過接地碳刷大大降低，這樣可確保將軸承電壓降低到對軸承沒有危害的等級。同時該裝置配備碳刷磨損報警傳感器，一旦碳刷長度低于限定值，可以及時提醒用戶更換碳刷。該裝置具有成本較低，同時易于現場安裝的優點。

對同一臺發電機安裝保護裝置后重新進行現場測試，測試結果表明高頻軸承電壓峰值已經降低到對軸承足夠安全的2V（如圖5）。也就是說，通過該裝置可以有效降低軸承電壓值，從而使軸承免受損傷。

結論

變頻電機軸承電腐蝕問題一直是電機行業內關注的重點問題，雙饋風力發電機也是如此。本文針對國內某風電場出現的大批量軸承電腐蝕問題，通過理論分析和風電場試驗對比，提出了一種改進的軸承電腐蝕保護裝置。該裝置能夠大大降低軸承失效的概率，同時可適用于其他功率等級的雙饋發電機，具有一定的工程和實用價值。

攝影：朱小峰