風電機組中的軸電流分析

文 | 張富全，王偉

風電機組中的軸電流分析

文 | 張富全，王偉

近年來，風力發電的發展方興未艾，與其他清潔能源共同開啟了電力建設的新征程。但風電機組正常運行與否也受到各種因素的制約，特別是由于風電機組長期處于風沙等極端惡劣環境中，運行過程中產生的軸電壓給風電機組帶來巨大隱患，如不采取有效的抑制或防護措施，必將在軸承與軸瓦等部件產生有害的電流（簡稱為“軸電流”）。例如，軸電流會導致軸承滾道產生融化性凹點以及凹槽，增加了軸承的摩擦，使軸承的使用年限極大縮短（圖1）。在實際風電場中風電機組每年有40%的故障，這其中有20%為軸電流導致的，并且故障率逐年增加，不僅給電網的運行帶來不利影響，同時也給工業生產造成嚴重經濟損失。為了減輕影響和損失，開展軸電流的研究顯得尤為重要。

軸電流的產生機理與危害

軸電流是風電機組運行中轉軸上產生的渦流，當電機在良好運行情況時，發電機的軸承和轉軸兩者間會有一層油膜，這層油膜起潤滑軸承和絕緣的作用，當軸電壓比較低的時候，潤滑油膜可以起到比較好的絕緣作用。但當軸電壓因為電機的故障等原因達到一定值時，尤其在發電機剛剛啟動時，轉軸與軸承兩者之間沒有產生固定良好的潤滑油膜層，軸電壓特別容易擊穿油膜形成放電回路，形成比較大的有害軸電流。軸電流對電機的破壞主要有幾種情況：

（1）電機軸電流會在軸承與轉軸兩者間頻繁地放電與滅弧，侵蝕軸承，被熔蝕的軸承合金，在巨大的擠壓力的作用下從軸承金屬表面迸發出來，從而在軸承內表面形成密集的熔蝕凹槽，許多蝕點的存在必然破壞軸承內表面，加速軸承不斷的損耗，進而縮短軸承的使用年限。

（2）軸電流同時也對油膜有一定的電解和加熱作用，將會毀壞轉軸與軸承兩者間的潤滑油膜，從而引起潤滑油碳化，加快油脂的劣化，造成油膜潤滑功能降低直至消失，還會導致軸承的溫度升高，使發電機轉軸和軸承之間形成程度不等的毀傷。

（3）因為軸承和轉軸兩者的合金接觸面范圍很小，由于軸電流形成后，它的密度就會很大，導致軸承局部溫度過高，引起軸承內表面呈現條狀熔蝕傷痕，嚴重的甚至可能直接燒壞軸頸和軸瓦。如圖2所示。

等效模型的建立

圖1 軸承滾道燒傷表面

一、共模電壓和軸電壓

圖2 軸承電蝕表面

圖3 PWM逆變驅動共模電路模型

圖4 逆變器電路共模模型

由PWM變頻驅動供電產生的軸電流按照產生的機理一般可分 dv/dt 電流、放電擊穿電流和循環型軸電流。前兩種為共模電流，當軸電壓在油膜閾值電壓承受范圍內時，油膜穩定，軸承的電阻值很大，以兆歐級計。此時軸承充當一個電容，dv/dt 電流就是軸承電容的充放電電流，通常這個電流值不會很大，所以對軸承產生不了毀傷。一般認為，磁路不對稱，電容電流和單極效應為電機軸電流產生的主要因素。但是在變頻驅動供電下電機中軸電壓主要受電壓不平衡影響，進而電源電壓的零序分量產生，并在系統內形成零序電流，軸承為電機零序回路的一部分。如圖3 所示，設電機外殼接地。

因此分析電路可得：當星型連接時有，

vcom為三相逆變器所連接的三相負載中間點的對地電壓，uv、uw、 uu為機組繞組端與地之間電壓。當定子繞組接三相對稱電源時uw＋uv＋uu＝0 ，則電機端不會出現共模電壓；然而當電機定子繞組與三相的兩電平逆變器連接時，逆變器輸出電壓uw＋uv＋uu的總和通常不為零進而產生共模電壓。 經過電機中寄生電容的耦合效應，在轉子上可以感應出電壓，通過其軸承，形成共模電流的流通回路。根據電路的共模模型能夠得到軸承對地電壓和電機共模電壓關系（如圖4）。

圖4中cwf是電機定子繞組和鐵心的耦合電容；cwr為定子繞組與轉子的耦合電容；crf為轉子和定子鐵心的耦合電容；cb為驅動端軸承等效電容；cnb為非驅動端軸承等效電容；un是電機定子繞組中間值電壓；vcom為共模電壓 ；ub為對地的電壓。軸電壓大小決定軸承能不能被擊穿，以及能否產生有害的放電擊穿電流。由圖4可以得到ub與vcom的約束關系，定義為軸承的分壓比，表達式為：

即電機的耦合電容與軸承分壓比有著不可分割的關系，那么分析耦合電容對于分析電機的軸電流問題是有必要的。

二、電機耦合電容

（一）轉子與定子繞組耦合電容

通常對轉子與定子繞組的等效分析，等效的電容面積為轉子－氣隙－槽楔－槽絕緣－定子繞組。轉子與定子繞組兩者間的等效電容有三類不同介質的平板電容，一般把槽絕緣材料相對介電常數定義為ξ1，等效厚度l1；槽楔相對介電常數為ξ2，槽楔等效厚度為l2；空氣空隙等效寬度為l3。因此，可以推算出轉子到定子繞組的電容為：

（二）定子鐵心和轉子間電容

當前交流、直流電機電樞的繞組通常設計中，繞組一般都放在開槽定子的鐵心中，開槽會影響電機氣隙的磁耦合，也會改變電機內能量耦合，從而改變整體耦合電容。為了更好地分析其對電機的影響，假設等效的氣隙為?，kc是卡氏系數，那么引入kc通常認為開槽會增大電機的有效空隙，也就是看作增大kc倍。轉子與等效的定子間電容一般可以看作兩個柱體間電容，兩柱體間長度為kc?。因此通過相應的計算得到：

圖5 共模電流通路模型

電機正常運行中，油膜與軸承內外圈也有等效電容。

（三）共模電流通路

當前在PWM組成的風電機組發電系統中，通過電機內部的雜散電容構成共模電流回路，當不考慮定子時，等效共模電流通路如圖5所示。

圖中 C1為轉子槽等效的電容，C2為電機前軸承等效電容，C3是電機后軸承等效電容。模型左端口為轉子變頻電流，由于電機氣隙一般在0.5毫米以上，加上槽口、槽楔等，同時也要經過定子的槽絕緣和槽楔，電容不是很大，而轉子繞組直接和轉子鐵心接觸，絕緣厚度只有0.1到0.2毫米，所以電容比較大。高頻電流直接泄漏到轉子鐵心上，鐵心與軸直接接觸，再通過軸承套到軸承，軸承絕緣層約0.2毫米，由于轉子頻率在欠同步發電時頻率并不高，一般幾赫茲到十幾赫茲，所以轉子繞組感抗也不大，而高頻載波一般在1千赫茲到5千赫茲，這樣傳遞給軸承的軸電流就很大。

基于以上模型的計算和分析，提出一個對電機改造的方案并進行仿真驗證了其優良性。

圖6 測量方案示意圖

圖7 電機空載、Ud=500V時Vcom、Vb、Ib波形圖

軸電流的測量

選擇一個比較經濟容易改造的機型（Y2-136S）進行改進，在機組非驅動側軸承與外滑道間加入一層阻絕層，厚度約為幾毫米，自外側滑道導出一個銅線，繞過絕緣直接與機組外殼連接，最終能夠測量到軸電流。在該試驗中把PWM接地作為參考對照，將參考處和驅動電源進行連接，這時測得的電壓就是軸承的軸電壓，又因為機組驅動PWM部分的直流母線電壓大約在500V左右，當系統處于良好的運行狀況時，電壓最大值為405V。共模電壓是運用Tektronix（泰克示波器）探頭測量得到的，設備型號為P520A。實驗測量示意圖，如圖6所示。

將PWM變頻器驅動系統中直流母線電壓Ud調至500V，使電機在標準電壓下空載運行，可測得共模電壓、軸電壓、軸電流，其波形如圖7所示。

從圖7能夠看出，機組軸電壓和等效共模電壓都是四階波形，且兩者波形極為相似，但電壓值差異比較顯著。分析圖7可知，軸電流中包含一部分EDM（放電擊穿電流）電流，軸電流的最大值≤0.15A。依據波形可知當發生放電擊穿電流時，軸電流也會變化，其余部分的電機軸電流一般為容性電流，電流值較小。由圖7可知，共模電壓最大值是780V，軸電壓最大值為29V，可推算出軸承分壓比約為3.71%。在設定的模型中，運用模塊來表述油膜被擊穿的情形時，一般認定當大于額定的數值時即出現擊穿現象，但這僅僅在理論上可以實現，實際現場這種情形一般不會出現，真實的機組出現軸承拉弧擊穿現象與圖7相似，與此同時也做了相應的仿真來驗證準確性。

圖8 電壓仿真圖

軸電流仿真

本文結合上文的等效模型，通過計算模型中的相應關鍵參數，在Matlab/Simulink中建立模型，仿真中以變頻器輸出的共模電壓為激勵，監測電壓值并輸入（MF）模塊中，通過開關k1、k2的開與斷來模擬軸承油膜承受的閾值擊穿和擊穿后又恢復的狀態。仿真要求：50Hz頻率下的運行，PWM控制，2kHz頻率載波。

結合圖8仿真結果可知，軸電壓和共模電壓的波形比較接近，容性耦合是產生高頻軸電壓的重要因素。當 t＝0－0.2ms時軸電壓與共模電壓均維持在穩定值，當t＝0.2ms 時共模電壓增大，軸電壓的數值大過軸承油膜擊穿閾值電壓，發生電容放電，隨后軸承油膜恢復絕緣狀態，軸承兩端電壓隨著共模電壓變化而變化。軸承電流仿真模型清晰描述了變頻驅動系統中的寄生耦合現象。

結論

本文對軸電流共模模型和寄生電容進行了分析，建立了共模電路模型，得到了電機耦合電容相應公式，由軸承分壓比可知，當軸承電容變小、電壓相應變大時極易形成破壞性的軸電流；提出的一種電機改造方案，能較好地測量和分析軸電流，值得推廣和應用；仿真實驗驗證了驅動系統存在寄生耦合現象，為以后風電機組中軸電流的研究提供了一定的參考和依據。

（作者單位：內蒙古科技大學信息工程學院）