風力發電機軸電流抑制探討

李志剛

（國華（河北）新能源有限公司，河北張家口 076650）

0 引言

中國新能源戰略開始將大力發展風能源作為重點。風力發電等新能源發電行業的發展具有十分廣闊的前景。未來，風力發電必將保持高速發展的態勢，其盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟而快速提升。目前階段的風力發電發展狀況，其性價比正在或即將形成與火電、水電的競爭優勢。風力發電的發展優勢主要表現在：發電能力每增加1倍，發電成本就下降約15%左右。隨著中國國產化風電裝機的增加和風力發電技術的不斷革新，風力發電的成本會逐步下降。

風電的迅猛發展使得機組大部件故障處理成為一個難題。某區域風電場共安裝SL1500機組106臺，于2010年8月并網發電。SL1500風電機組發電機故障一直是該機組常見的重大故障，現象為轉子振動較大進而出現轉子軸與轉子鐵芯滑動、轉子斷相等故障。初步分析主要原因為發電機軸電流過大導致的發電機軸承失效，軸承失效后發電機振動加大，逐步出現發電機轉子鐵芯松動，發電機繞組開裂、斷相。

發電機軸承問題是SL1500系列風力發電機組電氣方面最為突出的一個問題，而軸電流是導致發電機軸承損壞的主要原因。由于發電機定子鐵芯組裝工程中形成的合縫、定子硅鋼片安裝形成的合縫、定子與轉子之間空氣間隙不均勻等，在發電機正常運行期間就會造成發電機的磁路往往不對稱，發電機轉軸在這種不對稱的磁場中旋轉，就會形成軸電流、軸電壓。由于發電機轉子和軸承、大地所構成的回路阻抗很小，軸電流密度超過0.2 A/cm2，就可能形成很大的軸電流，會對軸承造成擊穿放電和電擊侵蝕[1]，同時使軸承的潤滑油脂加速劣化、油膜層被破壞、軸承失效。軸承失效后導致發電機振動變大、發電機轉子環斷裂，振動持續增大更會導致發電機轉子軸與鐵芯松動，進一步擴大隱患，導致事故發生。為避免事故發生，本文研究和探討防止軸電壓、軸電流的危害，探索研究將發電機軸承前、后端蓋進行絕緣處理，驅動端加裝接地裝置，采用該種方法能夠有效解決發電機軸電流問題，很大程度提高風機的可利用率。

收集整理尚義地區風電場的SL1500風電機組歷史運行數據進行分析，查看發電機運行的溫度變化曲線，幾乎所有的軸承故障在現場均表現為發電機振動大、噪聲大。部分機組因軸電流加大，出現發電機前后軸承保護罩間弱的放電現象。在維修過程中，發電機解體后細微檢查發電機電氣狀況，可以直觀發現發電機軸承損壞體現為軸承內圈外滾道有搓衣板紋、軸承外圈內部滾道上有搓衣板紋，有時軸承內外圈之間及滾球本體上有內表面發黑、掉屑現象，發電機軸承內外滾動體表面形成了許多微小密集的點坑，軸承滾動體表面呈現黑色狀，這完全符合軸承電腐蝕的特征。

1 風力發電機軸電流的形成及軸承損壞的細微分析

1.1 油脂的積累老化對軸承的影響

依據現行的風力發電機的維護標準，每6個月進行1次軸承潤滑維護，只是注入少量、定量的潤滑脂，軸承內舊的潤滑脂只靠軸承的自行運轉來擠出，收集在集油槽中。這樣，廢舊油脂會有很大部分殘留在軸承內，時間長會形成酸性物質對軸承造成一定的腐蝕。同時酸性物質會更容易積累電荷形成電勢，甚至在繞組輸入端接近端口部分使電勢高度集中，或大或小的電勢以軸電流的形式作用在軸承上，長時間頻繁發生會對軸承形成損傷，這也是軸承失效的一個重要原因。

1.2 磁力的作用使軸承面發生老化

風力發電機組多使用雙饋異步發電機，在發電機正常運行時，發電機的定轉子處在正弦交變磁場中。由于發電機定子、轉子扇形沖片和硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽通風孔等的存在，定轉子扇形沖壓片疊裝后接縫的不對稱性、硅鋼片碾壓方向不同造成導磁率的不同、鐵心槽和通風孔的存在以及安裝的工藝使磁通不平衡等原因，這種不平衡產生不平衡的磁阻和不平衡的磁力，逐漸地浸蝕軸承主體表面的材質，在長期的發熱、磁力、振動等多種因素的作用下使發電機的軸承內外面發生變化，日積月累形成類似于老化的材質變化。在軸承的運行前期，軸電流也許會很小，但隨著軸承的磁化，尤其集中在軸承的內外表面，軸電流就會變大。當軸電流變大就會進一步地加重軸承的劣化，形成惡性循環地加速軸承損壞的過程[2]。

1.3 發電機對中工藝對軸承的影響

風力發電機在正常運行過程中，發電機的輸入軸與齒輪箱的輸出軸應該在1條直線，現行的維護標準也是每1年進行1次校準，但依照風電設備多、對中校準對天氣的要求高這些特點，風電場在計劃性工作周期內要全面完成所有任務，人員、校正設備等多重因素綜合決定了對中結果的差異性，在校正發電機位置發生偏差時會影響發電機軸承的使用壽命，主要明顯地體現在軸承損壞的后期發展階段，對中工藝的不到位對軸承損壞起到推波助瀾的作用。

1.4 發電機前后端蓋的絕緣性影響

過去幾年，1.5 MW風力發電機的前后端蓋大部分是非絕緣端蓋。為了消除軸電流對軸承的腐蝕作用，使用的軸承為絕緣軸承，絕緣軸承的絕緣層易損，油脂老化后形成酸性物質包圍在軸承的四圍，使得軸承的絕緣性能下降。從發電機軸到軸承外圈的絕緣層較薄，雖然可起到一定的絕緣作用，但不能很好地全面杜絕軸電流。當發電機端蓋是絕緣端蓋時，不僅增大絕緣距離，而且幾乎不受油脂侵蝕，油脂老化后形成的酸性物質腐蝕不到發電機端蓋絕緣部位，在一定程度上很好地起到絕緣作用。

2 抑制雙饋發電機軸電流的方法

風力發電機組的發電機軸承采用油脂潤滑，發電機軸束縛在軸承內圈，軸承沉在潤滑脂內。正常情況下，軸承內圈與軸承外圈間的潤滑油膜起到絕緣作用。對于發電機產生的較低軸電壓，因油脂絕緣作用不會產生軸電流。當發電機軸電壓增加到一定數值時，尤其在風力發電機停機再啟動時，潤滑油膜還未充分形成，軸電壓將放電擊穿油膜后與大地構成回路，產生很大的泄漏軸電流，有時可達到幾百安甚至上千安。由于軸承滾球金屬凸面接觸面很小，電流密度相對較大，使軸承局部點狀燒熔，被燒熔的軸承表面合金在輾軋力的作用下飛濺，于是在軸承內表面上形成小凹坑（俗稱搓衣板紋）。通常表現出的明顯癥狀是軸承外圈內表面、軸承內圈外表面及保持架上被壓出條狀電弧傷痕，嚴重時足以把軸頸和軸瓦損壞。由于軸承運行時會因摩擦在轉軸上產生靜電荷，轉軸因被靜電荷充電使電位升高。當運行的轉軸接觸到旋轉體以外的任何部件時，便要通過該部件對地進行放電，否則就要繼續積累靜電荷，最后產生過高的軸電壓。如果軸電壓超出軸承油膜的絕緣強度，積累的電荷就會在極短的時間內放電。這種現象重復發生，就是軸承受到損傷的主要原因。在軸承研究領域的許多分析，軸承廠家曾針對上述問題進行過詳細的分析與判斷，搓衣板紋的產生主要由高頻諧波產生的軸電壓擊穿軸承內表面絕緣鍍層，頻繁的瞬間對地進行極具放電所導致，該類問題是雙饋異步發電機共同存在的典型問題之一。為此，多家公司設計并推薦使用陶瓷球軸承，但因為成本過高導致該設計一直沒能大范圍推廣[3]。另外，軸承滾道剝落、軸承保持架斷裂等問題，分別是由于潤滑不足、發電機對中不符合要求、轉子平衡精度不夠、軸承安裝時不規范等諸多因素導致，將會大大縮短風力發電機軸承的使用壽命。

某區域風電場在經多方論證，結合多方建議的情況下，針對上述發電機軸電流治理辦法，提出了可行性軸電流治理方法。首先，從軸電流的疏導上開通更好的泄流回路，結合發電機外殼結構設計，采取發電機多點接地的形式，及時疏導發電機軸電流；其次，從設計中提升定轉子間絕緣等級，達到甚至優于陶瓷球軸承的效果。在檢查確認發電機滑環室內接地連接可靠的前提下，在發電機輸入端增加接地辦法，從而提升接地可靠性[4]。絕緣端蓋的技改方案是在接地疏導軸電流的同時，從技術上和設計上將設備絕緣點轉移，不再和油脂的儲存點進行交叉，進一步提升絕緣等級和可靠性。一般在后期改造中，發電機絕緣端蓋實現整體耐交流電壓不低于4 000 V/1 min。

3 發電機軸承、端蓋更換技術要求

絕緣端蓋形式須為絕緣體嵌入式，絕緣端蓋的機械強度滿足所承受的壓力，不會造成破裂而導致絕緣失效，同時保證各安裝孔位的精度。絕緣端蓋絕緣等級達到H級，同時有國家風電領域權威機構的檢驗報告。絕緣端蓋的機械強度、精度、絕緣等級等各項技術要求須出具合格的檢驗報告，各項試驗數據要具有中國風電產品認證資質的鑒定確認。發電機軸承更換需使用專業且合格的工器具，發電機軸承更換過程中注意保持作業現場衛生清潔，做好廢油脂的清理回收，工器具擺放合理，作業人員安全防護用品合格齊備，同時做好人員正確的安全防護。拆除發電機聯軸器、電纜保護軟管、軸承PT100、自動注油管、手動注油管、廢油脂收集槽、蓋板、排風道、集電環、編碼器等相關附件時應做好相應的保護，小心放置，避免磕碰，防止損傷、丟失相關拆卸的附件。使用阻燃型環保清洗劑清洗風扇擋圈、風扇罩、鎖緊用圓螺母及墊圈、外密封環、軸承外蓋、端蓋、軸承內蓋、內密封環等相關附件，保證附件清潔。使用工裝拆卸密封環、軸承時必須清理轉軸配合面，確保轉軸配合表面干凈無雜質，避免發電機主軸拉傷。在拆卸發電機軸承過程中注意保護軸承室、軸承內外圈部位不得碰傷。裝配新軸承工作人員的手套必須保持清潔，避免污染軸承及其潤滑油。新軸承裝配后須注入適量新油脂，軸承安裝方向應正確。軸承安裝過程中因使用方法的不同會產生一定的過盈量，在風機塔上檢修時最好采用油浸式加熱或感應器加熱軸承方法來安裝，加熱溫度范圍一般為均勻受熱80～100℃為宜；當使用油浸式加熱時，油溫最高不能超過120℃。發電機端蓋安裝方向與拆卸前一致。螺栓需重新涂抹適量鎖固劑，對稱交錯緊固，緊固力矩，畫緊固標記。發電機內部嚴禁遺落工器具、雜物，安裝所有外部連接線路（包括轉子接線盒、編碼器）及發電機相關附件時在發電機轉子接線盒及集電環室嚴禁遺落工器具、雜物等。作業結束后檢查發電機運行是否正常。

4 接地裝置安裝技術要求

在發電機接地碳刷的選用上，最好使用知名品牌碳刷，規格40 mm×20 mm×100 mm。刷握端面與接地環之間的間隙滿足規定2～3 mm要求；安裝電刷與刷握間隙滿足規定0.1～0.3 mm要求；接地環材質使用201不銹鋼材質。接地電刷與接地環接觸可靠，接觸面積不低于80%，接地支架固定在徑向端蓋絕緣層的外側。安裝接地碳刷刷架及其線路，將接地碳刷監測信號接入原發電機碳刷監測回路中。安裝完畢后觸發碳刷監測微動開關，測試反饋信號正確輸入[5]。

5 發電機對中校核

在前述更換安裝工作完成后進行發電機的對中工作。首先，所使用對中儀器合格，具有出廠精度檢驗合格證明或年度檢驗合格證明。其次，對中過程中需至少3人進行，風速超過6m/s，不得進行發電機對中工作。確認葉片處于順槳狀態，測試能否手動盤車。用200～800 N·m力矩扳手將力矩值調至800 N·m，緊固發電機4個地角螺栓；用60～200 N·m力矩扳手將力矩值調至190 N·m，緊固發電機減震塊（彈性支撐）上的螺栓。水平、垂直對中精度達到位移偏差小于0.5 mm，角度偏差小于0.02/100。

6 結束語

發電機屬于風力發電機組的重要組成部分，發電機的性能直接決定風力發電機組的使用效率和使用壽命，發電機的故障率嚴重影響風力發電機組的可利用率，同時關系到風電場的經濟效益。因此，發電機組的技改治理對風力發電機組具有重要的影響。通過以上介紹的方法按照工藝要求，綜合對風力發電機組的發電機進行技術處理后，發電機的軸電流會被抑制，變得很小或微乎其微，對發電機軸電流的產生起到明顯的抑制作用，且對發電機不構成危害。某區域風電場在2016年通過該種方法對風電場內60臺發電機進行技改，通過近3年的現場實踐證明，該種技改方法切實可行，對風電機軸電流的防范效果好。經過以上方法處理后的風力發電機組，故障次數明顯減少，機組發生故障時間明顯縮短，實際可利用小時提升100 h左右，節約了很大的生產成本和人工成本，創造了可觀的經濟效益。

因此，現場檢修員工對發電機進行技術改造的前提是對發電機結構進行嚴謹地科學研究，對現場設備的實際運行數據及實際運行特征進行分析。只有充分掌握發電機的運行特點，充分分析故障原因，才能得出安全適用、經濟合理、技術先進的技術改造方法，使發電機的技術改造產生真正的效果。