共軛磁環用于雙饋風力發電機組共模電流抑制的研究

劉從來，張善剛，陳 晨

（國家能源（山東）電力有限公司，山東 濟南 250016）

0 引言

某風電場建設有23 臺2 MW 雙饋發電機組和1 臺1.5 MW 風力發電機組，該項目投運2 年后，陸續出現發電機軸承失效故障，隨著運行時間的增加，失效頻次逐年提高，嚴重影響了機組的可靠性，造成維修成本上升，機組可利用率降低等問題。

通過對現場失效的發電機軸承進行分析，發現軸承失效表面均分布“搓衣板”紋，符合電弧灼傷造成的損傷，初步判定該風場軸承失效是由軸承軸電流引起的電腐蝕失效［1］。大量文獻表明引起軸電流的最主要原因是變流器中大量使用高開關頻率的IGBT，IGBT 開關時產生高頻諧波，通過轉子側注入發電機，在發電機內部各部件間形成通路，流經轉子軸的電流，由于容性阻抗對高頻諧波失效，在滾珠與滾道接觸面產生電火花放電現象，持續放電導致滾道表面電腐蝕和潤滑脂失效［2］。

通過進一步研究發現，該電流主要包括du／dt型電流和EDM（Electric Discharge Machining）型電流，通過擊穿軸承中的潤滑油膜形成EDM 尖峰電壓，造成持續一段時間后軸承破壞。目前國內外對此問題研究尚處于起步階段，解決的方法有：增加濾波器、采用特制電纜、采用絕緣軸承、方向抵消法、吸收濾波法等。各種方法適應場合成熟度以及效果各有差異，有些尚處于研發階段。

1 共模電流產生機理

共模電流的產生是因為變流器中的非基波高頻分量在發電機轉子、軸承、機殼、繞組等多處形成感應電勢，該感應電勢主要部分是共模電勢，也含有由于系統不對稱及結構不對稱而產生的一定分量的差模電勢。逆變器逆變波形在多數情況下，因為兩電平式PWM 調制失真，會產生相當分量的高頻波電勢，電壓越高，電流也越大，當電壓過高時，EDM 型電流會對電機軸承造成損壞，如圖1 所示。

圖1 故障軸承剖面

共模電流主要分為du／dt 型電流、EDM 型電流和環路型電流，du／dt 和EDM 為非環路電勢［3］，非環路電流是作用在轉子軸承上的電流，即軸電流，如圖2 所示。軸電流產生的主要原因有2 個，一是變流器存在共模電壓，二是高頻信號下的轉子繞組與轉子、機殼之間具有低阻抗容性通路。

1）du／dt 型電流主要是伴隨著共模電壓產生的，也是流過軸承的常態電流，它的本質是軸承電容的充電電流，幅值較小，主要為高頻分量。常態電流如果長期作用會造成電介質擊穿，腐蝕軸承內部的潤滑油脂，從而引發軸電流的產生。du／dt 型電流的流通路徑為：從發電機轉子繞組流向發電機主軸流向軸承，再通過軸承外圈流回發電機機殼。

2）EDM 型電流是流經軸承上形成的隨機尖峰放電電流，每一次尖峰電流對應軸承油膜的一次擊穿放電，其本質為短路電流。EDM 型電流是幅值很高的脈沖電流，具有很大的破壞性，能使軸承滾道表面產生搓衣板狀凹槽損傷。當電擊產生的共模電壓超過軸承油膜形成的電介質能承受的最大電壓閥值時，將在軸承上產生所謂的“電火花放電加工”電流，該電流具有很強的熱效應，使得軸承滾動體與滾道赫茲點接觸處的金屬熔化，熔化后的金屬顆粒被帶到潤滑劑當中，使潤滑脂發生惡化，軸承內部的摩擦阻力因此變大，從而對軸承的滾道造成損傷。

3）環路型電流誘發的原因與EDM、du／dt 相似［4-5］，發電機轉子到軸承再經過另一個軸承又回到轉子，從而形成一個回路，從圖2 中可以看出電流回路也經過軸承，也會對軸承造成傷害。由于有一部分電流流入了寄生電容，定子繞組流入和流出的電流不相等，因此存在一個凈電流的高斯面，會產生一個高斯脈動的凈磁通，該磁通會在環路中產生電動勢，從而在回路中形成脈動的環路電流。環路電流的直接來源不是共模電壓，環路電流是環路轉軸方向的磁通變化率不為零而感應出來的電流，與非環路電流有本質區別。環路電流從電機的旋轉主軸流向軸承，到達電機機殼，再流向電機的另一個軸承再返回到電機主軸上的一個環形流通路徑。

由此可見，轉子側共模電流很大部分都通過轉子軸，對軸承形成影響?？紤]到軸電流的測量在現場實施較為困難，因此在現場通過測試轉子共模電流來代替軸電流，共模電流的大小與軸電流大小呈對應關系。

圖2 共模電流回路

2 共模電流解決方法及抑制原理分析

2.1 抑制共模電流的常用方法分析

國內外有效抑制共模電流的手段還很少，尤其是國內尚處于起步階段，主要措施是加裝濾波器，使用絕緣軸承，采用特殊電纜和反向抵消等方法。

一般方法制造的濾波器體積較大，計算不當時會發生磁飽和，單級或簡單的濾波器由于結構限制和原理限制，不能得到良好的濾波效果［6］。要在寬的頻率范圍內獲得良好的濾波效果必須采用多級（多階）復合式濾波器，不僅體積進一步擴大，結構變得復雜，而且要進行復雜地調整，工作量十分龐大，造價昂貴難以實施。

采用絕緣軸承［7］，不僅造價昂貴，而且由于缺少了電流通路會產生比有導電通路狀態下更高的尖峰電壓，如不吸收，會對絕緣造成威脅，但軸承故障可以改善。

采用特殊結構的電纜，本質上是吸收加屏蔽的電纜，不僅存在吸收濾波效果與電纜長度相關的問題，同時由于要求材料柔軟、吸收效果好，絕緣層勢必加厚，對于等尺寸電纜，載流量下降，散熱效果變差。因此，限制了該類電纜的廣泛應用。

反向抵消方法尚處于研究階段，實用例子不多，受限于頻率響應寬，結構簡單的反向信號放大迭加設備。目前只應用于小功率開關電源、逆變器。

隨著新材料出現，新型材料納米晶磁環在電磁兼容領域得到廣泛應用。如變流器門極驅動回路采用磁環，增加抗干擾性。在風電機組上，主控與各設備間的通信易受到干擾，通常會在通信回路上增加抗干擾磁環。隨著磁環應用逐漸廣泛，新材料納米晶磁環在高頻吸收效果和電流飽和度方面得到了大幅提升，在轉子輸出側與發電機轉子側加裝新材料的共模扼制磁環，吸收轉子高頻成份，降低共模電流，技術上有了可能性。納米晶磁環不僅安裝方便，而且可采用非接觸式安裝方式，對原有系統本身不造成影響，也使得這種應用能夠得到發展。

圖3 為環形納米晶磁環，納米晶磁芯具有較高的導磁率，頻率特性寬，30 MHz 高頻仍有導磁率。非常適用于EMC 濾波器、共模電感，以抑制共模噪聲和共模電勢。相對于傳統軟磁材料，比如鐵氧體磁芯，納米晶磁芯具有明顯的優勢，如電感量高，濾波效果好，體積小，可根據安裝要求形成不同尺寸和形狀的磁環。如圖3 所示，環形磁環更適合穿通式安裝，可獲得較高電感量，利用專門設計結構，可對共模電勢造成很大衰減。

圖3 環形納米晶磁環

2.2 共模磁環的工作原理

在轉子電纜輸出側上加裝納米晶磁環，當不平衡交變電流（高頻諧波）通過磁芯時，在磁芯內部產生渦流，從而產生感應電動勢，并在磁芯內部形成一個閉合的回路?；芈分械碾娏鳟a生熱量，選擇合理參數的磁芯從而控制產生感應電流的大小，進而在不破壞磁芯物理結構的狀態下自然冷卻，同時該過程持續消耗不平衡電流。如圖4 所示，藍色箭頭Iload表示正常轉子負載電流，紅色箭頭IRF表示轉子電流中含有的諧波電流。

當轉子電流穿過納米晶磁環時，低頻基波電流會正常通過，因為基波屬性是三相差模性質u.=u.a+u.b+u.c。共模電感不會對其產生衰減，但高頻諧波電流會在磁環上產生感應電動勢，形成閉合回路，感應電流以熱量的形式消耗掉。

圖4 磁環感應

納米晶磁環內部為特殊的鐵芯材料，按照特殊工藝加工而成環形，形成阻抗。磁環的特性參數的選擇直接關系共模電流抑制效果。

式中：Z（f）為磁芯阻抗；ω 為角速度；f 為頻率；Ae磁環截面積；μ（f）為磁導率；n 為電纜繞線圈數；μ0為磁導常數；l 為磁環長度；L（f）為磁芯電感。

納米晶磁環的阻抗高低與μ（f）Ae、l 有關。隨著磁芯材質技術不斷突破，磁環吸收高頻諧波的性能越來越強。如圖5 所示，Z（f）與頻率f 的關系，隨頻率增加，阻抗增加。

圖5 納米晶磁芯阻抗與電感隨頻率變化曲線

3 工程實施

對該風場5 號風機轉子側共模電流進行了測試，測試結果顯示該臺風機發電機轉子側共模電流峰值近126 A，如圖6 所示。另選鄰近4 臺機位進行了測試，共模電流峰值均在100～120 A 左右，所測幾臺風機機組轉子側共模電流大小基本一致。

該風場共模電流測試數據，與其他風場測試數據相比，數據明顯偏高。其他風場2 MW 機組共模電流測試數據在40～80 A 范圍內，超過100 A 的案例極為罕見，因此該風場共模電流數據也直接驗證了發電機軸承故障頻發由電腐蝕引起的。

圖6 共模電流（安裝前）

共模電流主要來源在于變流器高頻開斷，通過對5 號共模電流進行頻譜分析，結果如圖7 所示，基波幅值（50 Hz）為4.131 A，共模電流高頻次主要分布在10～25 kHz。

圖7 共模電流頻譜（安裝前）

根據所測共模電流的大小和頻次分布，選用對應的磁環，在變流器轉子輸出側與發電機轉子之間配置14 個磁環，如圖8 所示。安裝磁環后，共模電流降低到64 A，安裝磁環后所測共模電流如圖9 所示，頻譜如圖10 所示，基波幅值（50 Hz）為3.854 A。

圖8 磁環安裝

圖9 共模電流（安裝后）

圖10 共模電流頻譜（安裝后）

從圖6 和圖9 的對比中看出，共模電流峰值由安裝前的126 A 下降到64 A，從圖7 和圖10 的對比中可以看出，高頻波的總含量下降了近50%以上，各頻次波含量均不程度下降，尤其在10～25 kHz 范圍內最為明顯，因此可以看出，納米晶磁環對轉子側共模電流有明顯的抑制作用。

共模電流主要由轉子側du／dt 和尖峰電壓放電形成的電流以及環路電流，通過轉子側安裝納米磁環對共模電流中高頻波形成有效吸收，可以有效降低共模電流大小，同時du／dt 和尖峰電壓也得到改善。

從上述對比結果可以看出，納米磁環吸收了大量高頻分量后，轉子側電壓波形得到明顯的改善。共模電壓改善的同時共模電流也得到大幅改善，轉子側輸出共模電流大幅下降50%，可以明顯改善了軸承的運行環境。

4 結語

風力發電機組因變流器轉子側輸出共模電流較高，對軸承的安全運行造成了威脅。引起共模電流的因素較多，改進方法也各不相同，其中有些改進方法涉及變流器的拓撲結構改進，例如改為五電平或多電平式變流器拓撲結構，會大幅度減小du／dt電壓變化率進而減小EDM 型電流；或者在變流器結構上放置納米晶磁芯濾波器等措施，都可以大幅減小共模電流。

因此引入新材料的納米晶磁環，通過感應原理以熱量形式將轉子側高頻諧波分量吸收，降低了注入發電機側的共模電流，減少對發電機軸承的電腐蝕。

由于目前國內外還沒有明確定義發電機安全運行的共模電流、共模電壓等相關指標，不同發電機廠家電機制造工藝也存在差異，因此風電場軸承電腐蝕解決方案缺乏統一量化標準。通過采用納米晶磁環將共模電流降低了50%，是否已經達到了軸承的安全運行標準還需要對軸承運行狀況進行持續性的監控，長期的跟蹤管理可為今后建立發電機軸承安全運行管理標準提供依據。

由于各風電機組的狀況不同，因此在本案例基礎上，還需深入研究變流器轉子波形輸出特性，通過理論分析加測試，形成持續改進降低共模電流的方案，可結合共模電流的頻次分布，考慮通過常規的阻容電路、改善接地等多種方案共施，再結合磁環高頻優勢，選擇更經濟、更有效的綜合方案降低共模電流，改善軸承運行狀況。