雙饋式風電機組發電機軸承失效分析及預防措施

盧 源

（國電廣西新能源開發有限公司，廣西南寧 530007）

0 引言

發電機作為風力發電機組的最重要部件，其運行穩定性直接影響著風力發電機組的運行。隨著風力發電機組運行時間增加，風力發電機組軸承故障的情況也增多，由此帶來的維護成本也不斷增加，風力發電機組運行可靠性下降。雙饋式風機發電機軸承失效已成為我國風電行業比較嚴重及普遍存在的問題[1]，急需有效的預防措施。

1 運行情況

某風電場安裝1.5 MW 雙饋異步四極風力發電機組，風機位于海拔約1000 m 的高山區域，常年濕度、霧氣較大。運行兩年多年后發電機軸承經常報高溫預警，現場檢查軸承響聲較大，累計更換過發電機軸承的風機數達總風機數一半，其中更換的風機中90%更換過發電機前后軸承，多次更換軸承的風機數達1/3。發電機軸承故障極大降低了風機可利用率，增加風機維護成本。發電機軸承故障成為該風電場風機維護的最大問題。

2 發電機維護情況

發電機為雙饋異步四級發電機，額定功率1.5 MW，發電機軸承為SKF 進口軸承，潤滑脂原為美孚320，運行1 年半左右更換為克虜伯114 潤滑脂。潤滑脂加注形式為手動加注，風電場6個月加注一次潤滑脂，每次使用手動黃油槍以壓柄最大行程加注80 下，碳刷為多個品牌混用。

3 失效情況

根據現場更換出來的故障軸承看，80%故障軸承外圈滾子槽出現不同程度的波紋式磨損，潤滑脂結塊變硬，軸承潤滑脂廢油孔無積油。集電環室碳粉多，碳刷磨損不均勻，多臺次發電機出現集電環燒毀或電弧灼燒情況。

4 維護措施

軸承是旋轉機械的重要部件，軸承失效可能由很多因素引起：潤滑失效、超負荷運行、安裝拆卸不當、密封失效、電腐蝕等[2]。根據可能引起軸承故障的原因，風電場在一年時間采取一系列防范措施。

4.1 增加加油量及縮短加油間隔

由于風電機組運行在潮濕、高溫、低溫、鹽霧等惡劣環境及發電機軸承排油孔設計不合理，發電機軸承潤滑情況不理想。按照風機維護手冊發電機軸承加油要求進行維護，6 個月加注80 g，但從損壞拆下的軸承潤滑情況看，已經按指導手冊按時加注潤滑油，但軸承滾子滾槽還是很干澀，達不到潤滑要求。80 g 潤滑油使用手動黃油槍加注時間大約為2 min，加注潤滑油時發電機軸承可能是靜止或低轉速轉動，潤滑油加注量少且加注時間短，新加注的潤滑油不能分布于整個軸承的滾子及滾子槽道，改善潤滑作業極小。長此以往，運維人員以為已經按時加注潤滑油，實則潤滑情況未得到改善，最后導致潤滑失效，軸承磨損。故風電場要求縮短加油間隔，3 個月加注一次，每次使用手動黃油槍最大行程加注160 下，加注時開槳讓發電機轉起來，加注時間不宜過快，需持續3 min。更改過發電機潤滑油加注要求后，發電機軸承潤滑情況得到極大改善。

4.2 使用同一品牌的碳刷

風電場原使用的碳刷品牌多達3 種，同一臺發電機的集電環同時使用不同碳刷，存在不同品牌碳刷磨損不均勻的情況，碳粉堆積多，對集電環存在一定隱患，碳粉還會從縫隙進入軸承潤滑脂內。風電場要求同一臺風機只能使用同一品牌碳刷，要求定期將集電環室下通風口清理干凈，保證碳粉及時排除，避免堆積過多。

4.3 統一使用絕緣軸承

發電機出廠時一個軸承為絕緣軸承（軸承內圈與軸接觸部分涂有絕緣介質），一個軸承為非絕緣軸承（采用端蓋絕緣結構）。非絕緣軸承存在感應電流對軸承的電蝕危害，電流對潤滑脂和滾動體、滾道造成損壞，降低軸承的使用壽命[3-4]。在需要更換的軸承中若有非絕緣軸承的，則更換為絕緣軸承，降低軸電流的危害。

4.4 規范軸承更換工藝

發電機使用的是深溝球軸承，采用過盈配合和加熱法裝配。部分軸承更換時，因其他因素，更換人員不使用軸承專用加熱器加熱，而是將軸承浸泡在液壓站油里，再用電磁爐加熱液壓站油的方法來加熱軸承。該方法僅憑更換人員經驗來判斷軸承溫度，溫度控制不準，軸承受熱不均勻，液壓站油殘留在軸承上，也一定程度降低了潤滑脂的潤滑效果。若溫度過高，會使軸承產生回火，致使硬度變低，運行中軸承就容易磨損、剝落[5-6]。經專業人員要求后，風電場要求軸承加熱必須使用軸承加熱專用器，將軸承中心對準加熱器中心，嚴格控制溫度不要超過120 ℃，盡量只加熱一次就裝配上，避免多次加熱。

4.5 規范發電機機械對中工藝

發電機組更換齒輪箱側（驅動側）軸承后需要進行機械對中，把齒輪箱和發電機的兩根軸調整為同一軸線，避免在聯軸器上形成較大應力，產生較大振動，確保機組穩定運行[7]。機械對中數據滿足要求后，發電機4 顆地腳螺栓要按對角順序分兩次打標準力矩，第一次打500 N·m，第二次打滿。打完500 N·m 力矩后，再次用對中儀檢測對中結果是否在允許的范圍內，否則要重新對中，如果在范圍內就進行第二次打標準力矩。實際對中過程，往往打完第一次標準力矩500 N·m 后，再檢測時，數據往往就會超出允許范圍，維護人員需要對中無數次才能滿足規范要求，需要耗費大量體力、精力、時間，特別是在剛換完軸承后，人員已經疲憊的情況。所以很多對中人員在好不容易數據滿足要求后，打完第一次力矩后不再檢驗，就直接打第二次力矩。風電場了解到這種情況后，機械對中時安排專人監督，嚴格要求打滿力矩后再進行一次校驗，校驗必須滿足要求，方可結束對中工作。

4.6 發電機軸加裝接地系統

雙饋式異步發電機通過變頻器IGBT 給發電機轉子供電，實現對電能質量的控制，保證發電機輸出電能。變頻器向發電機轉子提供電壓脈沖，發電機轉子軸、軸承和機座中形成高頻環流。軸承轉動過程也產生靜電放電及發電機磁場不對稱也會使發電機軸帶電[8]。發電機產生的這些電經集電環上的接地碳刷快速導入大地，避免軸承長時間出現過電流，產生電腐蝕。但集電環的接地碳刷只形成一側接地，且由于碳粉吸附、碳刷磨損、松動等情況，導致轉子軸接地不良，轉子軸上的電流就不能快速導入大地消除，從而通過軸承發電，產生軸承過電流，最終引起發電機電腐蝕失效。風電場在驅動端側（齒輪箱側）發電機軸上加裝1 組轉軸接地系統，形成發電機轉子軸對稱的兩側同時接地，能可靠保證發電機轉子有良好接地，利于發電機轉子軸電流導出，消除軸電流的危害。

4.7 安裝傳動鏈監測系統

在發電機、齒輪箱、主軸相關位置安裝振動監測傳感器，實時監測風機傳動鏈的振動情況，在軸承出現磨損的前期就知道預警，及早做好防止進一步惡化的措施[9-10]。監測系統可以預警軸承缺油、早期磨損、地腳螺栓松動等癥狀，通過實時監控，保護風機傳動鏈的大部件。

5 改造效果

風電場根據發電機軸承頻繁損壞，依次采取上述一系列措施，在發電機驅動端加裝轉子軸接地裝置，將損壞的非絕緣軸承更換為絕緣軸承。嚴格規范軸承更換工藝，要求使用軸承專用加熱器加熱軸承，要求機械對中打滿力矩后再檢驗一次對中數據，對中數據必須是滿足要求的，3 個月清理一次集電環室碳粉，清理原潤滑脂后再添加新潤滑脂，縮短加油間隔并增加加油量，要求加油時發電機低速轉動，加油時間持續3 min 以上。加裝傳動鏈在線監測裝置，每個月出具振動監測報告，對磨損出現劣化的情況作出預防措施。通過一系列整改，目前風電場的發電機軸承運行良好，未出現軸承故障。

6 結論

發電機是風力發電機組的重要部件，發電機軸承出現故障會使風力發電機組的發電效力降低，甚至導致整臺發電機都需要更換，維修費用巨大。對軸承故障原因作出分析并采取解決措施，效果明顯。給風力發電機組技術維修提供故障診斷幫助，同時也給軸承制造和安裝部門提供理論研究依據。