風電機組發(fā)電機軸承電腐蝕故障研究

羅振斌

摘 要：想要保證風力發(fā)電機組可靠穩(wěn)定的運行，最大程度降低機組的維護成本，就要提高對風力發(fā)電機故障的研究。因此，本文針對風電機組發(fā)電機軸承電腐蝕故障進行研究分析，首先簡單了解軸承電腐蝕特征，其次從發(fā)電機軸在線監(jiān)測技術入手，詳細分析軸承電腐蝕故障診斷方式，采取振動在線狀態(tài)監(jiān)測頻譜信號分析的方式，最后根據實際案例診斷具體過程，為軸承電腐蝕故障判斷提供準確的依據，以供參考。

關鍵詞：風電機組;發(fā)電機;軸承電腐蝕;故障處理

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0160-02

0 引言

近幾年里，風力發(fā)電機組得到大范圍應用，振動信號檢測、數據分析、處理分析等技術水平也在不斷提升，機組的運行情況日益穩(wěn)定。但風力發(fā)電機組在實際運行的過程中，依然存在一些無法避免的故障問題，軸承作為運行過程中的核心部件，一旦出現故障，那么機組的穩(wěn)定運行也會受到影響，利用振動在線狀態(tài)監(jiān)測頻譜信號對風電機組發(fā)電機軸承電腐蝕故障進行檢測分析，可以制定更加科學的處理措施。

1 風電機組發(fā)電機軸承的電腐蝕特征

風電機組在實際運行的過程中，會有強電流流經發(fā)電機的轉子和定子繞組，此時，如果支撐軸承的絕緣處理存在問題，那么強電流會在轉子和定子之間形成回路，電流就會流過軸承，嚴重的情況下，軸承的內外圈都會出現過大電壓。如果軸承存在松動或者過大空隙時，軸承內外圈滾道和滾動體之間會形成局部放電，軸承部件會受到電弧作用的影響，出現點蝕。這種風電機組發(fā)電機軸承的電腐蝕一般表現為搓衣板狀的波紋痕跡，這種波紋痕跡會導致接觸表面的潤滑狀態(tài)下降，隨著運行條件的惡化，軸承就會失效，這也是風電機組發(fā)電機軸承在運行過程中最常見的問題。風電機組發(fā)電機軸承的電腐蝕故障并不屬于局部故障，也不會對整體機組產生瞬時強沖擊激勵，而是一種持續(xù)的弱沖擊激勵，在實際應用的過程中，這種故障沖擊特征非常容易被忽視，必須要得到重視。要針對電腐蝕故障震動型號特點，對振動信號進行預處理，增強信號中的故障沖擊成分，應用包絡譜分析法提取出故障特征信息，以此準確診斷風電機組發(fā)電機軸承的電腐蝕故障。[1]

2 風電機組發(fā)電機軸承在線監(jiān)測技術

2.1 在線監(jiān)測技術

現階段，在線監(jiān)測技術得到了廣泛的應用，占據了絕大部分的市場份額，的通過在關鍵位置安裝振動傳感器，來監(jiān)測設備的運行情況，經過數據處理后獲得軸承運行特征頻率參數，并且對比分析數據之間的差異性，判定軸承的運行狀況。但通過上文分析，也能夠看出在線監(jiān)測故障判定存在較大的難度，在這樣的情況下，采取振動在線監(jiān)測技術，分析提取振動信號，進一步抽取表征故障特征信息量，以此就能夠對發(fā)電機組中的軸承運行狀態(tài)、故障潛在點和發(fā)生點進行識別判斷。風電機組發(fā)電機軸承在運行過程中，其故障特性會隨著故障狀態(tài)而不斷發(fā)展，在這樣的情況下，監(jiān)測技術也要根據趨勢特征變化進行分析，具體評估軸承的運行狀態(tài)，以期達到維護更換的根本目的。

2.2 電腐蝕在線監(jiān)測技術

軸承主要是由滾動體、保持架、內外圈等結構件組成，在軸承運轉過程中，可能會觸發(fā)各種組成構建的頻率響應，一旦出現局部缺陷時，就會發(fā)出響應的沖擊信號，不同故障發(fā)出的頻率特征會受到結構和材質特征的影響，存在一定的區(qū)別。通常情況下，可以監(jiān)測軸承信號，以此判斷軸承運行狀態(tài)，但是更多的是電腐蝕故障，這種故障的信號檢測較為困難，需要增強振動信號故障特征[1]。比如：正常軸承的滾道光滑，產生的振動響應也具有寬帶隨機成分，信號的信息熵比較大，但出現故障時，信號的信息熵相對較小，產生的周期沖擊激勵具有一定的確定性，但在傳遞古城中，受到多種干擾因素的影響，響應信號的確定性也會隨之降低，信號的信息熵也會隨之增加，這是一種最小熵解卷積方法，在此基礎上，完成最優(yōu)濾波器問題，就可以對故障進行全面的分析診斷。

3 風電機組發(fā)電機軸承電腐蝕故障的診斷案例

由上可知，風力發(fā)電機在進行軸承電腐蝕故障的過程中，會出現持續(xù)的弱沖擊激勵，在這樣的情況下，需要對振動信號進行全面的分析和判斷，以此判定電腐蝕故障的損傷程度。

3.1 故障診斷案例的基本概況

本文以國華新能源有限公司旗下的某風電機組發(fā)電機軸承發(fā)生的電腐蝕故障為例進行分析，選取某臺2MW機組發(fā)電機為主要測試對象，該發(fā)電機軸承為德國FAG廠家生產制造，驅動端軸承型號為NU1030MC3和6030C3，非驅動端軸承型號為NU1030MC3。通過對檢測到的驅動端和非驅動端軸承振動數據進行分析，以判定軸承的運行狀態(tài)，為后續(xù)軸承點故障判定提供依據。風電機組在出現故障中，會發(fā)出振動信號，通過對振動信號的識別，可以更好的判斷故障情況。最為主要的是，根據振動信號進行診斷式目前最為常見的一種診斷模式，也是使用的頻率最高的一種，主要可以用于風力發(fā)電機組中齒輪箱、軸承、葉片等關鍵部位的檢測和診斷[2]。

3.2 振動監(jiān)測數據分析

通過監(jiān)測該機組發(fā)電機軸承的實時振動情況，因為該風場的風電機組都配置了CMS系統(tǒng)，所有傳動系統(tǒng)各部件上布置振動傳感器，進行在線狀態(tài)監(jiān)測。根據軸承故障特征頻率系數情況來看，在實際運行過程中，發(fā)電機自由端軸承振動逐漸增大，而從近兩個月以來發(fā)電機自由端振動加速度有效值來看，可以看出該NU1030MC3軸承故障狀態(tài)振動有效值最大值達到了30m/s2，CMS系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出預警。結合該型號軸承的故障特征頻率系數數據進行進一步分析，與此同時，取出一段振動實測信號進行分析診斷，根據實測振動波形頻譜對振動信號進行進一步分析，采樣頻率為25.6kHz。該段信號對應的發(fā)電機轉速約為1171轉/分，由此可以判定發(fā)電機會處于低速輕載運行狀態(tài)。不僅如此，從頻譜數據中還能夠發(fā)現振動信號波形的隨機成分較強，出現輕微的周期調幅現象。但故障沖擊特征不夠明顯，故障沖擊特征不明顯，信號頻譜中在400-1000Hz和1400-2000Hz等頻帶有邊帶成分，其中頻率間隔約為95Hz的邊帶成分比較突出[3]。

3.3 振動信號處理分析

想要增強信號中的故障沖及成分，就要在實際應用過程中，進行MED解卷積濾波處理，得到時域波形以及頻率情況。根據MED前后震動型號波形對比情況，可以看出在處理后，信號中周期沖擊成分更加明顯，周期約為0.01s，信號頻譜中除了突出的95Hz邊帶成分之外，幾個共振頻帶也更加突出，為信號窄寬包絡進行分析。通過上述分析可以看出，原始信號的包絡譜中沒有任何峰值成分，但經過處理后的信號包絡圖譜中，在61.1Hz和95.05Hz處中都有峰值，表明通過MED進行濾波處理后，信號中的故障沖擊特征得到增強，有效提升了軸承故障的判斷能力。

3.4 診斷結果分析

本文通過分析，采取最小熵解卷積來增強信號中的故障沖擊成分，然后根據包絡譜研究法對故障進行準確的分析診斷，在此過程中，對電腐蝕故障此類沖擊特征不明顯的分布故障，也可以準確高效的獲取到故障信息，增強診斷效果，保證故障診斷的及時性和準確性。從本質上解決了這一大難題。根據診斷結果，該風電場的運維人員及時采取加強軸承振動監(jiān)測的方式，外圈滾刀上則布滿了搓衣板狀的電腐蝕故障痕跡。這種基于峭度的EMD方法在實際應用中，分解結果更接近理想值，對發(fā)電機組軸承電腐蝕振動信號進行分析，可以更加準確地進行判斷。該項工作有效得到了國家的認可，市場也充分利用這個機會進行學習，在長期運行過程中會受到多方面因素的影響，各種性能無法來保證。同時也利用這種振動檢測技術可以實時監(jiān)測風力發(fā)電機的工作情況，并且軸承的運行狀態(tài)要給予及時的準確評定，軸承的故障預判也有效的提供了依據，同時這個技術的應用發(fā)展也在一定程度上進一步提高故障診斷能力和異常狀態(tài)判別能力，從而全面有效的降低機組維護成本，保證機組得到可靠穩(wěn)定的進行。

4 風電機組發(fā)電機軸承電腐蝕故障的處理措施

4.1 采用合適的絕緣軸承

通過上述內容可知，如果軸承的絕緣性出現問題，就會導致電腐蝕高鉆和功能的出現。雖然風電機組在內端蓋上使用絕緣涂層，但涂層在長期運行過程中會受到高溫差、灰塵多方面因素的影響，絕緣性能無法保證。隨著使用時間延長，絕緣涂層會出現失效的情況，因此，選擇合適的絕緣軸承，可以在保證良好接地的基礎上，使用帶絕緣軸承，可以有效避免軸電流經過軸承后產生電灼傷，讓軸承壽命得到延長，將負面影響降至最低。

4.2 加強對軸承的檢查巡視

在對軸承進行巡檢過程中，要重點檢查發(fā)電機后端接地碳刷長度，確保軸承的有關參數數據符合標準，不僅如此，軸承的連接情況也要進行檢查，以此保證軸承的正常運行。除了軸承自身的連接情況之外，其他部分的連接也要進行檢查確保軸承的工作情況良好。比如：在巡檢過程中對碳刷和花環(huán)周身出部分接地連接進行檢查，確保充分接觸，并且使用萬用表測量發(fā)電機對輪中心部位到接地點的接地電阻進行測量，確認電阻小于4Ω。傳統(tǒng)的軸承型號無法保證風電機組運行穩(wěn)定性，可以利用全新的技術改造方式，對軸承進行改造，以此提高風電機組運行穩(wěn)定性[4]。

4.3 改變軸承的潤滑方式

傳統(tǒng)的軸承潤滑方式已經無法滿足當前風力發(fā)電機組的運行需求，軸承所需要的潤滑量大幅度提高。要采取“少量多次”的原則，保證油脂潤滑覆蓋率，比如：某風電場就要工作人員在巡檢過程中對潤滑檢查項進行全面的監(jiān)督管理，并且全面改變現有軸承潤滑方式，使用新油脂將軸承內部原有的增稠劑定頂出，避免內部留存大量增稠劑影響潤滑工作的正常進行。

5 結語

綜上所述，風力發(fā)電機組本身結構復雜，運行過程中會受到多種因素的影響，情況多變，檢測信號中包含各種干擾噪聲成分，會將一些微弱的故障信息掩蓋。尤其是風力發(fā)電機軸承電腐蝕這種故障，在早期很難被發(fā)現，會對機組的整體運行造成嚴重的影響，在這樣的情況下，增強故障信息，及時獲取得到有效的故障信息，也可以及時發(fā)現故障位置，可以在第一時間采取有效的運維策略，確保機組穩(wěn)定進行。

參考文獻

[1] 李通.雙饋風力發(fā)電機組故障分析及防范措施[J].電子世界，2019（18）：141-142.

[2] 姬相磊，高旭東，杜振東.風力發(fā)電機軸承振動監(jiān)測故障診斷分析[J].微特電機，2019，47（08）：74-76.

[3] 李文瑞.風力發(fā)電機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)的設計與實現[J].南方農機，2019，50（10）：168.

[4] 姜銳，滕偉，劉瀟波，等.風電機組發(fā)電機軸承電腐蝕故障的分析診斷[J].中國電力，2019，52（06）：128-133.