直驅風力發電機組主軸承軸電壓降低方法與實踐

邢德義，高保印

(北京金風科創風電設備有限公司，北京 101102)

隨著碳中和和碳達峰的承諾，綠色能源未來成為主流能源是必然趨勢。其中風力發電將占據很重要的地位。直驅型風力發電技術是目前的主流技術，代表廠家有金風科技、上海電氣、明陽智能等。主軸承作為直驅機組的關鍵核心部件，其可靠性不言而喻。近年來，隨著直驅型風力發電機組的裝機量日益增多，常常伴有機組主軸承失效的案例[1-2]。影響軸承失效的因素非常多，例如載荷、潤滑、疲勞、腐蝕和電效應(雷擊、軸電壓)等因素[3-4]。有學者在文獻研究提出，軸電壓有效值大于0.1 V時，有出現白色腐蝕裂紋(white etching cracks，WEC)風險；軸電壓有效值小于0.1 V，但軸電壓峰峰值經常出現大于2 V時，由于回路電阻較小的原因，可能產生軸電流，存在出現WEC高風險[5-6]。相關文獻中明確要求，應采取合理的措施有效預防軸電壓，當軸電壓過大時應查明原因[7-8]。

有效解決軸電壓問題將提升直驅風力發電裝備在復雜環境的適應性，推動風力發電系統的安全運行，減少對高碳排放化石能源的依賴，助力實現“雙碳”目標。

1 常規直驅機組主軸承軸電壓的現狀

對常規機組目前軸電壓的水平現狀進行調查，對位于江蘇省鹽城市大豐區的某2臺直驅風力發電機組的的軸電壓進行了測量，測試數據如下。

第1臺為2 MW機組，該數據為隨機選取15 s左右的連續數據，對該區間內的數據作有效值與峰峰值統計和分析。在機組原始狀態環境下，該機組前軸承軸電壓如表1和圖1所示。

表1 直驅2 MW機組軸電壓2次測量水平

圖1 第1臺機組軸電壓時域和頻域圖

第2臺為6 MW機組，該數據為隨機選取15 s左右的連續數據，對該區間內的數據作有效值與峰峰值統計和分析。在機組原始狀態環境下，該機組前軸承軸電壓如表2和圖2所示。

表2 6 MW機組軸電壓2次測量水平

圖2 第2臺機組軸電壓時域和頻域圖

2 軸電壓產生的原因

發電機軸電壓的定義是：發電機正常運行時，在發電機主軸兩端或者主軸與軸承之間所產生的電壓。對于永磁同步風力發電系統，發電機經過變流器向電網供電，變流器的開關器件工作時會產生高頻共模電壓，并通過電機雜散電容網絡的耦合作用，在軸承內外圈之間產生軸電壓；另外雷電的電磁感應也可能使軸承上集聚一定量的電荷，形成直流的電容效應，使軸承內外圈之間產生軸電壓[9-10]。

圖3 軸承電壓等效示意圖

軸承上的軸電壓取決于共模電壓的大小、繞組對轉子寄生電容和轉子對定子寄生電容以及軸承動定軸之間電容等參數，等效電路圖如圖3所示[11]。這些寄生參數通常很難計算和準確獲取，一般采用計算機仿真來定量計算，本文不再展開敘述。圖3中：Ucm為變流器機側產生的繞組對地共模高頻電壓；Cws為繞組對定子的寄生電容；Cwr為繞組對轉子的寄生電容；Crs為轉子對定子寄生電容；C1、C2為軸承動定軸之間寄生電容。

3 降低軸電壓的方法與驗證

根據理論分析，在動軸和定軸之間加裝滑動連接裝置，形成等電位連接，能將軸承上分壓Ubear，將軸電壓控制在較低水平，等效電路圖如圖4所示。這種滑動接觸裝置的接觸電阻非常小，一般是毫歐甚至微歐級別。圖4中，Rrs為動定軸之間的碳刷接觸電阻。

圖4 加裝等電位連接后軸承電壓等效示意圖

按照以上方法，在6 MW機組上進行了實際驗證。在原始狀態基礎上分別切入2個滑動接觸裝置、4個滑動接觸裝置、8個滑動接觸裝置，最后在8個滑動接觸裝置的基礎上將電刷的接地點用導線串聯起來，以起均勻接地作用。滑動接觸裝置切入位置如圖5所示。切入2個滑動接觸裝置的位置為電刷2、電刷6，切入4個滑動接觸裝置的位置為電刷2、電刷3、電刷6、電刷7，切入8個滑動接觸裝置的為電刷1、電刷2、電刷3、電刷4、電刷5、電刷6、電刷7、電刷8。測點位置為1點鐘與11點鐘方向。

圖5 直驅6 MW機組主軸承增加等電位滑動接觸裝置點位示意圖

經過測試軸電壓數據結果如表3和圖6所示。

通過測試，可以得出以下結果。

a.較無等電位滑動接觸裝置時，切入2個后軸電壓降低效果很明顯，降低92%左右，有效值由0.38 V左右降至0.03 V左右，峰峰值由4.2 V左右降低至0.3 V左右。

表3 直驅6 MW機組增加等電位連接后軸電壓測試結果

圖6 直驅6 MW機組不同工況下軸電壓時域和頻域圖

b.較切入2個等電位滑動接觸裝置，切入4個軸電壓降幅約9%，有效值臨近0.028 V，峰峰值臨近0.29 V。

c.8個等電位滑動接觸裝置對降低軸電壓水平進一步改善，較4個時降低約33%，軸電壓有效值臨近0.02 V，峰峰值臨近0.19 V。

d.將等電位滑動接觸裝置串聯起來的作用效果不明顯，本次的測試結果有效值和峰峰值在0.005 V范圍波動。

4 結語

直驅風力發電機組的功率容量越大，作用在主軸承上的軸電壓越大；在主軸承的動軸和定軸之間加裝等電位連接裝置，能明顯降低軸電壓，安裝組數越多，效果越明顯。該結論對直驅機組的實際設計有一定的指導作用。

機組在運行中，軸電壓長期存在，本監測的數據只是機組運行時某個時段的數據，若要想更加清晰了解機組軸電壓水平，可以在機組上布置一個工作站，能夠長期實時采集軸電壓數據，支撐后續研究。