雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的轉(zhuǎn)軸及軸承故障分析

陶晶，柴署淇

（國(guó)投青海風(fēng)電有限公司，青海 格爾木 816000）

1 引言

本文以UP86-1500ⅢB 高原型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，該型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組適用于青藏高原海拔高度為2 800～3 500m。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸承的材料為高碳鉻軸承鋼，轉(zhuǎn)軸材料為35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼（合金調(diào)質(zhì)鋼），軸承為深溝球軸承。

2 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、軸承常見故障

2.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸損傷

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度偏高或短期內(nèi)呈現(xiàn)大幅度升高的情況。緊接著頻繁報(bào)出“風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸承溫度超”“風(fēng)機(jī)變頻器故障”，嚴(yán)重時(shí)報(bào)出“變頻器網(wǎng)側(cè)接地故障”“風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)三相電流越線故障”。

檢修人員登塔檢查情況主要有：

1）發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑油脂明顯變質(zhì)，呈鐵銹褐色、發(fā)黑情況。

2）發(fā)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有異常震蕩的聲音。

3）發(fā)電機(jī)主碳刷、接地碳刷磨損嚴(yán)重，集電環(huán)表面灼傷。用手撫摸集電環(huán)表面，表面粗糙。

4）檢查碳刷支架表面灼傷，碳刷支架連接線路絕緣皮有燒傷痕跡。拆解發(fā)電機(jī)軸承，轉(zhuǎn)軸上的軸承安裝面損傷嚴(yán)重，呈點(diǎn)狀腐蝕狀態(tài)，腐蝕點(diǎn)坑深淺不一，點(diǎn)蝕坑深度為2～2.5mm；軸承內(nèi)圈與軸承接觸面光滑，無明顯損傷；軸承內(nèi)外圈滾道面及軸承滾子上有正常運(yùn)行磨損痕跡，無其他異常損傷現(xiàn)象，無電腐蝕痕跡。

5）檢查變頻器濾波電容完好，塔底機(jī)側(cè)、網(wǎng)測(cè)電纜完好，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子及碳刷支架絕緣檢測(cè)正常。

6）檢查機(jī)側(cè)模塊電流互感器接線正常，機(jī)側(cè)排線接線正常，配置版AP9、開關(guān)電源供電正常。

7）檢查發(fā)電機(jī)編碼器接線情況，發(fā)電機(jī)屏蔽線連接無松動(dòng)，發(fā)電機(jī)編碼器固定良好。

2.2 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸承損傷

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸承損傷與轉(zhuǎn)軸損傷對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況影響基本一致，都是故障前期出現(xiàn)軸承溫度偏高或者短期內(nèi)呈現(xiàn)大幅度升高的情況。緊接著頻繁報(bào)出“風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸承溫度超限”“風(fēng)機(jī)變頻器故障”“風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)碳刷故障”等，嚴(yán)重時(shí)報(bào)出“變頻器網(wǎng)側(cè)接地故障”“風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)三相電流越線故障”。

登塔初步檢查情況也是基本一致的，主要表現(xiàn)為：

1）發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑油脂明顯變質(zhì)，呈鐵銹褐色、發(fā)黑情況。

2）發(fā)電機(jī)主碳刷、接地碳刷磨損嚴(yán)重，集電環(huán)表面灼傷。

3）情況嚴(yán)重時(shí)，出現(xiàn)碳刷支架表面灼傷，碳刷支架連接線路絕緣皮灼傷情況。

4）對(duì)變頻器、發(fā)電機(jī)及其他部位檢查，無異常情況。

5）拆解發(fā)電機(jī)軸承，軸承滾到受力面出現(xiàn)較大面積壓光，軸承內(nèi)外圈滾道出現(xiàn)了一定程度磨損，軸承運(yùn)行游隙增加。

3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸及軸承故障分析

3.1 油脂運(yùn)行情況分析

油脂狀態(tài)為該脂外觀顏色呈黃、黑交替狀，存在混脂情況；脂中有少量油泥顆粒污染，影響潤(rùn)滑效果；脂中有較多尺寸細(xì)小的鋼質(zhì)磨損顆粒，磨損金屬元素鐵含量嚴(yán)重偏高，可能來源于累積磨損。

3.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料分析

1） 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料是合金結(jié)構(gòu)鋼（35CrMo 型合金調(diào)質(zhì)鋼），軸承材料是高碳鉻軸承鋼。為保證故障排查的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)轉(zhuǎn)軸損傷面取樣理化檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示損傷位置材料并未出現(xiàn)改變。從結(jié)果來看，轉(zhuǎn)軸材料成分均在合格范圍內(nèi)，并未發(fā)生明顯變化。因此，可以確認(rèn)轉(zhuǎn)軸損傷并非軸電流損傷所致。

2）發(fā)電機(jī)軸X 射線衍射輔助分析檢測(cè)，表明軸表面均為氧化物，但未見Fe3O4，顏色為黑色，是拆解過程中火焰加熱油脂燃燒產(chǎn)生的油煙造成。

3.3 發(fā)電機(jī)軸承情況分析

1）檢查發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈接觸面光滑，無明顯損傷。

2）軸承內(nèi)滾道電鏡觀察，平整區(qū)域成分與軸承鋼相當(dāng)，蝕坑內(nèi)氧化物居多，尤其凸起處含量較高（見圖1）。

圖1 軸承內(nèi)滾道電鏡觀察

3）軸承外滾道電鏡觀察，白亮色表明非金屬為主，氧化物居多，氧化狀態(tài)與內(nèi)圈相似，存在氧化鋁夾雜物和含鉬的非金屬夾雜物（見圖2）。

圖2 軸承外滾道電鏡觀察

4）軸承滾珠電鏡掃描觀察，其蝕坑與內(nèi)外圈電鏡觀察結(jié)果一致（見圖3）。

圖3 軸承滾珠電鏡觀察

3.4 結(jié)論

通過上述觀察、檢測(cè)，判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸故障主要是潤(rùn)滑油脂質(zhì)變引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承長(zhǎng)期發(fā)熱造成。潤(rùn)滑油脂散熱不良或者油脂質(zhì)量不合格，均會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)部位溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致油脂失效和轉(zhuǎn)動(dòng)部位損壞情況。

4 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)日常運(yùn)行管理情況分析

4.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油脂使用情況分析

該類型風(fēng)機(jī)為首批高原型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使用環(huán)境在海拔2 800～3 500m，受高原氣候和地理環(huán)境因素的影響，發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油脂的運(yùn)行性能和電氣絕緣性能發(fā)生一定的變化。使用于低海拔地區(qū)的美孚SHC100 的潤(rùn)滑油脂在該批次風(fēng)機(jī)上出現(xiàn)散熱不良、油脂排油不暢、油脂板結(jié)和質(zhì)變的情況。油脂的這種情況造成發(fā)電機(jī)軸承、轉(zhuǎn)軸運(yùn)行期間的溫度逐漸升高，造成軸承與轉(zhuǎn)軸表面高溫氧化，當(dāng)電機(jī)軸承受偏載、振動(dòng)、載荷突變等綜合因素的影響，表面上發(fā)生蠕動(dòng)或者爬行時(shí)，會(huì)進(jìn)一步磨損氧化顆粒物，腐蝕、感染油脂，加劇轉(zhuǎn)軸和軸承磨損。由于軸承內(nèi)圈硬度為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸硬度2 倍以上，一般最先出現(xiàn)的是轉(zhuǎn)軸損傷，其次為軸承損傷【1】。

4.2 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)械對(duì)中的影響分析

受風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)械對(duì)中的影響，機(jī)械對(duì)中數(shù)據(jù)公差過大，會(huì)造成發(fā)電機(jī)載荷突變，使發(fā)電機(jī)軸承與轉(zhuǎn)軸配合面載荷增加，若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)圈過盈配合公差下限（符合國(guó)標(biāo)，滿足正常運(yùn)行工況條件下的公差）；則可能出現(xiàn)配合面預(yù)壓力抗不住由于不平穩(wěn)運(yùn)行造成的配合面載荷增加，使配合面松動(dòng)產(chǎn)生蠕變，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間疲勞蠕變、惡化，從而誘發(fā)上述轉(zhuǎn)軸損傷情況。

4.3 軸電流的腐蝕，引起轉(zhuǎn)軸和軸承失效

4.3.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電對(duì)轉(zhuǎn)子繞組供電的影響

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)主要通過接地碳刷來引導(dǎo)軸電流接地，因此必須使用廠家規(guī)定的發(fā)電機(jī)正品碳刷，巡檢和定期項(xiàng)目中列入檢查碳刷支架、壓簧彈性、微動(dòng)開關(guān)靈敏度。發(fā)現(xiàn)碳刷磨損至原來的2/3 時(shí)及時(shí)更換，避免碳刷更換不及時(shí)造成軸電流過大，損傷軸承。

風(fēng)電機(jī)組變頻器采用PWM 調(diào)制方式，功率器件在快速開關(guān)時(shí)不可避免地產(chǎn)生電壓尖峰，該尖峰的電壓變化率（dv/dt）極高，可超過1 500V/μs，該尖峰電壓對(duì)應(yīng)的頻率約為1MHz，可以輕易地通過傳動(dòng)系統(tǒng)的寄生電容、寄生電感耦合至電機(jī)的軸，再傳導(dǎo)至軸承的內(nèi)圈，擊穿油膜后傳導(dǎo)至軸承外圈，并與大地形成回路，產(chǎn)生高頻軸承電流。由于油膜被高頻軸電壓擊穿時(shí)，擊穿點(diǎn)面積非常小，致使電流密度非常大，在擊穿點(diǎn)局部產(chǎn)生極高的溫度，使其金屬分子熔融或直接蒸發(fā)。如此長(zhǎng)期逐漸積累，在軸承上形成肉眼可見的搓衣板紋，最終導(dǎo)致軸承失效。

4.3.2 變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子繞組供電的影響

目前，在雙饋異步發(fā)電機(jī)中普遍采用PWM 變頻器（動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高），其原理是利用變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子繞組供電，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化時(shí)的恒定線頻率，同時(shí)調(diào)整有功和無功功率。但是，變頻器的引入使得由過電流引起的軸承失效問題大幅增加。變頻器供電的信號(hào)具有很高的邊緣信號(hào)變化率，使得dv/dt電流和相關(guān)的寄生效應(yīng)相應(yīng)增加。通過對(duì)多個(gè)風(fēng)場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間的增加，越來越多的電機(jī)出現(xiàn)或即將出現(xiàn)因?yàn)檩S承電腐蝕引起的軸承失效現(xiàn)象【2】。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，且轉(zhuǎn)速較高，因此，須密切關(guān)注其軸承運(yùn)轉(zhuǎn)情況，包括溫升、潤(rùn)滑等情況。

2）在風(fēng)機(jī)變頻器報(bào)出“接地故障”“軸承溫度超限故障”，需上塔檢查風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)、集電環(huán)室碳粉堆積情況，檢查發(fā)電機(jī)編碼器屏蔽線及發(fā)電機(jī)編碼器接線情況，以便迅速、準(zhǔn)確地查找故障點(diǎn)。

3）嚴(yán)格按照風(fēng)機(jī)巡檢周期檢查發(fā)電機(jī)碳刷磨損情況，及時(shí)更換磨損碳刷。

4）注意碳刷安裝方向正確，安裝前稍微打磨新?lián)Q碳刷，使之與接地環(huán)配合良好，定期檢查碳刷支架微動(dòng)開關(guān)靈活性。

5）定檢維護(hù)時(shí)，利用負(fù)壓機(jī)吸出板結(jié)潤(rùn)滑脂，并清理集電環(huán)表面碳粉，避免碳粉堆積較多造成的短路。

6）嚴(yán)格按照風(fēng)電機(jī)組巡檢標(biāo)準(zhǔn)開展機(jī)組日常巡檢，針對(duì)運(yùn)行有異響聲音的風(fēng)電機(jī)組及時(shí)檢查，能有效預(yù)防此類故障發(fā)生。

6 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中要密切關(guān)注發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，盡早處理，避免因?yàn)榇蟛考p壞造成的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況合理儲(chǔ)存?zhèn)淦穫浼?，減少不必要的停機(jī)時(shí)間。本文風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)故障案例，對(duì)今后的故障處理有一定的幫助作用。