關于雙饋異步發電機組因高頻軸電壓導致軸承損壞分析

陳俊清

【摘 要】雙饋異步風電機組是目前最成熟的機型，各大風機廠商生產機組大都已雙饋機型為主，因為雙饋機型較永磁直驅風力發電機組有結構和技術上的優勢，永磁直驅機組因發電機尺寸隨容量增加會成倍加大，對制造工藝及設備安裝、運輸、運行都提出了很高的要求，在各大風機廠商對單臺容量陸續擴容的前提下，雙饋機組必然是發展趨勢。但雙饋機組因先天高頻軸電壓對發電機及齒輪箱軸承的影響，制約了雙饋異步發電機組的進一步發展。雙饋機組向大容量、高技術方向發展，高頻軸電壓必須得到有效解決。

【關鍵詞】雙饋異步風電機組；軸電壓；接地裝置

0 前言

雙饋異步發電機組因先天特性，運行過程中會產生高頻軸電壓，高頻軸電壓傳導會造成發電機組軸承失效損壞，有效抑制高頻軸電壓是雙饋異步發電機組向大容量發展的必由之路。

1 雙饋異步風力發電機組并網工作原理

1.1 雙饋異步風力發電機并網條件

當風速達到風電機設定切入風速后，風電機系統自檢無異常的情況下，PLC發送指令使葉片變槳，在葉片受力面積逐漸加大的前提下，發電機轉速也在相應的提高，當轉子速度達到并網額定轉速時，轉子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運行要求由變頻器自動調節，使其與電網的頻率、電壓、幅值和相位保持相同。在此前提下風電機的主開關閉合，風電機并網發電。

1.2 雙饋異步風力發電機組工作狀態

雙饋異步風力發電機的定子通過主開關直接和電網相連，轉子繞組通過變頻器與電網連接，雙饋異步風力發電機組可以在不同的轉速下經過變頻器的調節實現恒頻發電，能夠滿足在不同轉速下的恒頻發電是因為雙饋異步風電機允許有額定轉速30%的滑差范圍，也就是風電機的轉速能夠在1000～1800rpm范圍內運行。當發電機轉子以低于發電機同步轉速的速度旋轉（即小于1500rpm），這個范圍代表一個輕負載范圍，定子提供全部的電能，電能中的一部分通過變頻器送到轉子，以補償轉子滑差，該工作狀態為次同步狀態；當發電機轉子以同步轉速旋轉（即等于1500rpm），大約80%的系統額定輸出由定子提供給電網。在一定程度上講，同步運行方式是一種特殊情況，在這種情況下轉子提供直流電，此時發電機為同步電機；當轉子轉速超過同步轉速時（即大于1500rpm），轉子通過變頻器也可以向電網傳送能量。從發電機轉子送出能量以減少相對于發電機同步轉速的轉子磁場多余的速度，此時發電機工作在超同步狀態。

2 雙饋異步風力發電機組軸承損壞原因探析

2.1 雙饋異步風電機組變頻器特點

雙饋異步風力發電機組普遍采用PMW（脈沖寬度調制）變頻器，該變頻器采用交—直—交變頻，通過整流器將工頻交流電整成直流，經過中間電容環節再由逆變器將直流電逆變成頻率可調的交流電，供給交流負載。異步電機調速時，供電電源不但頻率可變，而且電壓大小也必須隨頻率變化，即保持壓頻比保持恒定。因此雙饋異步風力發電機組在傳動系統上會產生軸電壓。

2.2 軸電壓危害

軸電壓傳導至雙饋異步發電機，可以導致發電機軸承油膜放電擊穿，使發電機軸承產生搓衣板紋，造成發電機組振動加大和軸承逐步失效；軸電壓向前通過聯軸器傳到齒輪箱使軸承發生電腐蝕，最終導致齒輪箱軸承失效；軸電壓向后傳導使發電機轉速編碼器損壞。對該危害必須采取抑制措施，防止對大部件造成不必要的損壞，大部件損壞不僅維護費用高，高空更換空間有限，更換時間長，降低風機可利用率，損失電量較多。

3 雙饋異步風力發電機組避免軸電壓導致軸承損壞方法

3.1 現有雙饋異步風電機組抑制高頻軸電壓現狀

現有雙饋異步風力發電機組均在抑制諧波及軸電壓技術上有了長足進步，量產機型都裝有dv/dt電感、濾波器、RC單元、接地滑環、接地碳刷等設備，甚至采取特殊布線方式來進一步避免軸電壓危害，但根據實際運行經驗仍不能很好避免軸電壓對軸承侵害，風力發電機組設計運行壽命為20年，軸承的使用壽命一般為4-5年，嚴重影響了風電機組的可靠性。

3.2 避免軸承頻繁損壞方法

3.2.1 使用絕緣軸承、陶瓷混合軸承，此方法需要增加軸承絕緣厚度，而絕緣厚度因制造工藝水平限制不易實現。

3.2.2 加注低阻抗油脂，可以降低絕緣電阻，但潤滑效果降低，也會引起風機軸承因潤滑效果不良而損壞。

3.2.3 風力發電機組集電滑環均裝有接地滑環，安裝在發電機尾端。在原有接地滑環的基礎上在增加發電機前端旁路輔助接地，可以有效降低軸電壓，降低軸電壓幅值，對軸電流具有良好的傳導作用，減少周電壓在軸承上的負作用。因此通過增加接地裝置（包括接地系統支撐板、刷架、恒壓簧、碳刷連接接頭、絕緣支撐固定螺栓、微動開關報警線、接地碳刷）可以達到減少軸承等備件損壞幾率，綜合經濟效益和實現功能的可行性，發電機前段增加家底裝置是最有效方法。

3.2.4 加裝接地裝置技術參數：

刷架系統支撐板：材料 1Cr17Mn6Ni5N 硬度 HRC56-62 外觀電鍍處理。

碳刷架：材料鑄造耐腐性黃銅合金，加工工藝及機械性能符合 《JBT 5779-1991 電機用刷握尺寸》要求。

恒壓彈簧：材料 0Cr18Ni9 生產制作按《JB2361-2007 恒壓刷握彈簧》

碳刷架連接頭：材料 H59 表面電鍍鎳

絕緣支撐：材料環氧樹脂絕緣管 對地耐壓實驗 2500V 1min

整體性能要求：絕緣電阻：（1000MΩ/500VDC

絕緣體強度：500VAC@60Hz，60S

耐壓強度：2500V

耐熱等級：F級

工作溫度：-30℃—150℃

3.2.5 關于軸電壓抑制的方案：結合運行經驗，根據雙饋風電機組傳動系統軸電壓產生、傳導的原理，對現已投入風電機組的進行整改的可行性和軸電壓抑制的有效性，具體實施步驟：（1）在原有風電機組接地滑環上，將原有碳刷更換成 65%高含銀的接地碳刷，該種材質碳刷有較好的傳導軸電流效果，能夠最大限度的降低周電壓；（2）發電機驅動端加裝接地裝置（包括接地系統支撐板、刷架、恒壓簧、碳刷連接接頭、絕緣支撐固定螺栓、微動開關報警線、接地碳刷），相當于在原有基礎上改善接地效果，增加接地面積。

4 結語

雙饋異步風電機組的自身特點是今后風力發電向大容量、高穩定性發展的必然趨勢，解決雙饋機組與生俱來的高頻軸電壓問題，降低傳動系統故障次數，延長軸承運行壽命，在風力發電行業具有廣闊的前景，為風電場安全穩定運行打下了良好的基礎，提升設備運行可靠性，具有積極的現實意義。

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[責任編輯：李書培]