雙饋風力發電機軸承波紋狀損傷分析及預防

陳國光，姜 洋，張來祥，馮 欣，夏延秋

（1.黑龍江省華富電力投資有限公司，黑龍江哈爾濱 150090；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

0 引言

風能作為一種高效清潔的新能源有著巨大的發展潛力，風力發電作為新興能源在國內的戰略能源結構中扮演著重要角色。其中風電發電量僅次于火電和水電，排在發電量的第三位。隨著風電產業的迅速發展，國內大型風力發電機組制造技術已經趨向成熟，其中雙饋發電機的變速恒頻控制方法是在轉子電路實現的，雙饋發電模式，突破了機電系統必須嚴格同步運行的傳統觀念，使原動機轉速不受發電機輸出頻率限制，而發電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉子速度和瞬時位置的影響，變機電系統之間的剛性連接為柔性連接，雙饋風力發電機是目前風力發電的主要機型。

1 風力發電機軸承故障的特點

作為風電機組的重要部件—發電機，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的增加，發電機軸承故障也越來越多，導致運行維護成本增加，風力發電機組運行可靠性降低。其中風力發電機電腐蝕作為電機軸承失效的一種形式，也越來越多引起相關技術人員的關注。電腐蝕簡稱電蝕，是指軸兩端將會出現交流電壓，當軸承上的分電壓達到一定閾值時，將擊穿軸承中的油膜，在軸承轉軸、內圈、外圈和軸承室組成的回路中產生電流，電流導致軸承軌道表面出現局部熔融和凹凸現象。盧源[1]報道了某風場的雙饋風力發電機累計更換過發電機軸承的風機數達總風機數的1/2，其中更換的風機中90%更換過發電機前后軸承，另外多次更換軸承的風機達總數的1/3，而且更換的故障軸承80%是軸電流引起的波紋狀損傷。到目前為止還沒有有效的方法來監測因軸電流引起的軸承損傷，雙饋式發電機軸承失效已成為電機軸承的主要失效形式。

2 避免發電機軸電流的方法

隨著雙饋風力發電機的裝機總量的增加，如何避免或減緩因軸電流引起的軸承失效是當前和未來要解決的主要問題。如何監測因軸電流引起的疲勞。如果SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據監控系統）系統數據中有轉子和定子電流信號數據、電壓信號數據和輸出功率信號數據并對其進行分析，不失為一種切實可行的方法。通過對波紋損傷的軸承的SCADA 數據分析，發現電機軸承溫度提高可以預測軸承損傷。

3 避免軸電流的措施

3.1 絕緣法

軸承部件的絕緣可以減緩軸電流對軸承的損傷，目前采用的絕緣方法有：絕緣端蓋、絕緣軸承座、軸承內圈及外圈加涂層絕緣、用陶瓷深溝球軸承等方法。

普通軸承替換為有電絕緣性能的軸承，以阻斷軸電流的路徑。絕緣軸承包括混合陶瓷軸承和套圈帶絕緣涂層的軸承。陶瓷軸承因成本過高，已很少采用。而黃熙等人[2]研制的無緯帶和片狀模塑料絕緣端蓋結構目前已大大限制了電機軸承軸電流的產生，降低了因軸電流引起的失效風險，具體結構如圖1所示。

圖1 兩種電機軸承端蓋的絕緣設計方法

3.2 潤滑脂方法

研究發現，對于電機軸承，因為軸電流的存在，潤滑脂的選擇上就要考慮潤滑脂的防電腐蝕性能，同時潤滑脂也是保軸承不損傷的最后一道屏障。研究發現，在軸電流作用下，當干摩擦狀態下，軸電流瞬間導致軸承表面失效，而潤滑脂的存在將大大延緩軸電流對軸承的損傷。

潤滑脂作為阻斷軸電流的最后一道屏障，起著至關重要的作用。軸承潤滑脂具有降低滾動體間摩擦、減少動力消耗、排出熱量、防止軸承溫升和抗疲勞的作用，同時，軸承潤滑脂還應具有好的潤滑性、抗氧化、防腐、防銹、減振和降噪等作用。研究發現，通過改善潤滑脂的導電性，可以大幅度延緩或阻止軸電流的發生[2]。實際工作中還發現，提高潤滑脂的加注量和縮短加注的間隔可以大大降低因軸電流引起的軸承損傷。

3.3 現場問題

某風電場位于海拔約170 m 的半丘陵地帶，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。安裝1.5 MW 雙饋異步風力發電機組，發電機軸承為SKF 進口軸承，潤滑脂為克虜伯114 潤滑脂，注脂裝置為林肯自動注脂機，風機運行8 年來，目前以每年約5%的發電機軸承因軸電流而發生損傷，因維修而停機導致發電量降低。圖2 示出了軸承內圈因軸電流而導致的波紋狀損傷。

圖2 軸承內圈表面波紋狀損傷

圖3 風力發電機電機溫度的監測曲線

圖3 示出了該風機失效前3 個月的電機軸承測和非驅動側溫度記錄曲線。通過分析發現隨著運行時間變化，電機溫度逐步提高，溫度變化曲線代表了電機工作的狀態，即有風和無風時電機的溫度。發現在檢查前的80 d，事實上已經發生溫度異常升高，是否可以通過溫度異常判斷軸電流損傷，即溫度的監測可以預測電機軸承的損傷，但不能確定電機失效形式，因此需要更深入分析軸電流產生的原因和測試手段，來抑制軸電流發生和通過潤滑手段減緩對軸承的損傷。可以判斷軸承工作的運行狀態，減少軸承故障的發生，這有助于合理地安排維修，提高電機運轉的穩定性，提高發電效率，為延長發電機軸承的使用壽命提供理論依據。

4 結束語

發電機軸承是風力發電機的重要零件，發電機軸承一旦發生故障將導致風力發電機組的發電效力降低，甚至導致風機停止發電，需對軸承維修后才可以運行。通過對電機驅動側和非驅動側溫度變化發現，溫度可以作為軸承電腐蝕損傷的預警。如果能通過軸承兩端溫度的變化，對軸承電蝕損傷采取相應的預防措施，將對風力發電機軸承的運行提供了保障。