淺談GE1.5sle winergy風力發電機軸電流的影響

朱玉成

（中廣核新能源（漣水）有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 引言

風力發電機組是由電氣、液壓、機械、氣動等各方面組成的一個復雜的發電系統，雙饋發電機作為風力發電機組關鍵敏感設備，是機組傳動系統中重要的組成部分，而發電機軸承承載著發電機的負載和扭矩，是發電機最關鍵部件之一，軸承的失效故障會造成發電機長時間停役，嚴重時造成發電機下架，造成較大經濟損失[1]。本人結合自身的工作經歷和多年行業經驗，對于風力發電機組中發電機軸電流的產生和對發電機的影響進行簡單分析，對解決發電機軸承失效原因提供解決方向。

1 背景

1.1 案例描述

根據某風電場 winergy1.5MW 雙饋風力發電機的運行維護情況及軸承故障統計情況，反映該系列發電機一期軸承燒損情況較為嚴重，不僅存在軸電流腐蝕的情況，也有個別軸承疲勞剝離的情況。但觀察更換下的軸承主要燒損的現象為搓板紋的軸電流腐蝕，約占20 臺次，占比近 20%。可以初步結論：風場風力發電機軸承失效形式基本可定性為軸電流失效[2]。

1.2 軸承安裝方式

風力發電機的軸承安裝結構因生產廠家不同而不同，多數廠家采用圖1所示結構，而軸承多采用深溝球軸承，深溝球軸承結構簡單，使用方便，是現在雙饋風力發電機中應用范圍最廣的一類軸承，它主要用以承受徑向載荷，也可承受一定軸向載荷。和其他類軸承比較，具有摩擦因數小、極限轉速高的特點。但深溝球缺點是存在振動和噪聲較大，對金屬屑等異物特別敏感，軸承一旦進入異物，就會產生持續的較大的振動和異響，造成軸承損壞。

圖1 軸承裝配圖

該風電場 winergy1.5MW 雙饋電發電機采用型號為 6330M/C3 的軸承，軸承絕緣結構為采用絕緣軸承座和軸承前后加絕緣擋板方式如圖2：

圖2 winergy1.5MW軸承絕緣方式

2 發電機軸電壓與軸電流的產生原因

（1）因磁場不平衡而產生的軸電壓，發電機因扇形板軸因素、硅鋼板柱荷載因素以及核心槽帶有通風口等，引起不平衡存在的磁阻，而且轉軸四周有交變磁通切割轉軸，在軸的兩端形成感應電壓，當軸電壓達到一定值時，通過軸承及其底座等形成閉合回路產生軸電流。

（2）如果風機變頻器采用 PWM 的調制方式，當對功率器件進行快速開關時，就一定會產生電壓尖峰，這種尖峰電壓變化率（dv/dt）極高，形成高頻電壓，可以通過轉動系統的寄生電容、寄生電感耦合至電機的軸，再傳導軸承與地形成回路，產生高頻軸承電流[3]。

（3）測溫元件絕緣層損壞失效、靜電積累都是導致軸電壓產生的可能因素，而軸電壓如果在轉軸與機座、殼體之間形成回路，就導致了軸電流的產生。

3 軸電流對發電機的影響

3.1 對軸承造成電灼傷

正常情況下，轉軸與軸承間的潤滑油膜，會起到一定的絕緣作用，但在潤滑油膜被擊穿后，油膜形成的寄生電容中存儲的電荷通過極小擊穿點導通放電，在軸承滾道表面微小的金屬面上產生了極高的電流密度同時瞬間釋放出極高的熱量，熔化了放電點的金屬從而形成凹坑。隨著風機的不斷運行，高頻周電壓擊穿油膜放電而形成的軸承表面凹坑不斷增多，滾動體、軸承內圈、外圈的光潔度隨之破壞，不斷積累下便形成了滾動體表面肉眼可見的搓板紋如下圖3，最后就造成了軸承因為游隙、振動過大以及溫度升高等因素失效[4]。

圖3 軸電流腐蝕失效現象

特別是當軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間，軸電流可達上千安，將嚴重灼傷軸瓦，造成軸承保持架斷裂、滾動體損壞，軸承內圈與轉子軸抱死情況如下圖4，損壞轉子軸，最后不得更換發電機，產生高昂吊裝和維修費用。

圖4 軸電流導致軸承失效現象

3.2 損害潤滑油脂的潤滑性能

潤滑油脂在軸承旋轉過程中會形成一層油膜，油膜形成的寄生電容可以起到絕緣作用，油膜厚度決定了電容值的大小。風機在高空運行時，由于特殊工況導致軸承油膜不穩定，寄生電容的電壓可能會升高，而當高于油膜能承受的電壓時，油膜就會被擊穿。油膜被擊穿時，油脂被電解碳化，造成極壓潤滑，使軸承溫度迅速升高，嚴重時造成軸承失效。

3.3 對軸承座絕緣的影響

如下圖5所示，該系列發電機前后均采用絕緣軸承座，絕緣軸承座的形式為內圈采用噴涂絕緣處理，絕緣厚約 2~3mm，（目前行業內普遍采用的噴涂材料為特弗龍或氧化鋁），從下圖 5 中可初步判定該絕緣材料為氧化鋁（氧化鋁材料類似于 SKF 的電絕緣軸承的絕緣層），其強度較低。該絕緣層作為電機軸承的承載區域使用，發電機長期運行還存在各種各樣的沖擊、蠕變等負荷，該處的絕緣易導致接觸失效，如果出現反復的軸電流失效，則應重點檢查軸承座絕緣結構是否損壞。但也有可能由軸承座內圈以及軸承兩端絕緣端板所形成的軸承對地絕緣結構可能會因為包容空間的爬電導致絕緣失效。

圖5 winergy發電機噴涂絕緣結構的軸承座

3.4 對發電機其他方面影響

根據該風電場 winergy1.5MW雙饋風力發電機的運行故障情況，因軸電流造成軸承失效的發電機，歷史故障列表中基本都報過發電機過速故障，現場處理發現發電機驅動端測速接近開關失效（故障代碼為 335）如下圖6。因軸電流灼傷軸承造成發電機振動和噪聲非常大，風機長時間運行后會造成編碼器故障（故障代碼為112、141）并引起機組強烈振動，影響機組運行安全。

圖6 軸電流導致測速接近開關失效現象

4 軸電流的防范與解決措施

（1）接地電刷油脂污染及接地碳刷結構問題。該系列電機集電環采用離心式風扇安裝于滑環尾端，采用抽風方式進行排灰，但其進風口較小，且由該風扇造成軸承室與集電環室存在風壓差，若集電環的風壓太低，易造成軸承外蓋漏油，目前從現場的情況看，仍然存在漏油的情況，如下圖7，由于接地環與軸承外蓋靠得很近，一旦漏油，接電環表面形成一層油膜，影響了接地電刷的導通，并且油污進入接地刷盒中造成碳刷卡阻、微動報警開關失效[5]。

圖7 接地環油脂污染情況

在這種情況下，軸承對電容性放電的保護將失效，加大接地碳刷接觸面積，定期并加強對接地環表面的清污，確保接地碳刷可靠接地。

（2）在前述對該系列發電機非驅動端增大接地環軸向尺寸，加大接地碳刷接觸面積時，驅動端增加一組接地電刷見下圖 8，使接地更加可靠，改善接地效果，更好地釋放積累的電荷，該風電場對一期發電機采用此種方式進行軸電流接地引流，取得一定效果。

圖8 驅動端加裝接地安裝圖

（3）對電機的軸電壓以及變頻器的 du/dt 等進行測試，視情況增加濾波裝置，降低共模電壓影響；或加裝電流保護裝置，可以及時報警，能更好地查找故障原因并進行及時處理。

（4）采用離線式或在線式振動分析儀、軸承聽診器等定期對軸承進行監測，爭取盡早發現軸承問題，并針對性地進行處理。

（5）定期清理發電機集電環、刷架，避免碳粉沉積降低正負兩極絕緣；定期檢查發電機轉子絕緣，絕緣降低必須立即處理；定期檢查發電機各測溫、測速、報警開關等絕緣，是否有線頭脫落與轉軸搭接。

（6）對軸承油脂定期采樣，分析油脂成分是否含有金屬微粒，并對油脂外觀顏色記錄，監控軸承溫度，視情況對軸承潤滑等情況進行調整，注意定期清理軸承廢油。

5 結語

采取措施防止形成軸電流回路以及采用軸電流防范措施，防止軸電流對發電機軸承造成損壞及對發電機其他方面的影響，減少發電機故障，為保證機組安全穩定運行具有十分重要的意義。