淺談GE1.5sle winergy風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電流的影響

朱玉成

（中廣核新能源（漣水）有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由電氣、液壓、機(jī)械、氣動等各方面組成的一個復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)，雙饋發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵敏感設(shè)備，是機(jī)組傳動系統(tǒng)中重要的組成部分，而發(fā)電機(jī)軸承承載著發(fā)電機(jī)的負(fù)載和扭矩，是發(fā)電機(jī)最關(guān)鍵部件之一，軸承的失效故障會造成發(fā)電機(jī)長時間停役，嚴(yán)重時造成發(fā)電機(jī)下架，造成較大經(jīng)濟(jì)損失[1]。本人結(jié)合自身的工作經(jīng)歷和多年行業(yè)經(jīng)驗，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)軸電流的產(chǎn)生和對發(fā)電機(jī)的影響進(jìn)行簡單分析，對解決發(fā)電機(jī)軸承失效原因提供解決方向。

1 背景

1.1 案例描述

根據(jù)某風(fēng)電場 winergy1.5MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)情況及軸承故障統(tǒng)計情況，反映該系列發(fā)電機(jī)一期軸承燒損情況較為嚴(yán)重，不僅存在軸電流腐蝕的情況，也有個別軸承疲勞剝離的情況。但觀察更換下的軸承主要燒損的現(xiàn)象為搓板紋的軸電流腐蝕，約占20 臺次，占比近 20%。可以初步結(jié)論：風(fēng)場風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承失效形式基本可定性為軸電流失效[2]。

1.2 軸承安裝方式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承安裝結(jié)構(gòu)因生產(chǎn)廠家不同而不同，多數(shù)廠家采用圖1所示結(jié)構(gòu)，而軸承多采用深溝球軸承，深溝球軸承結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是現(xiàn)在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用范圍最廣的一類軸承，它主要用以承受徑向載荷，也可承受一定軸向載荷。和其他類軸承比較，具有摩擦因數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)。但深溝球缺點(diǎn)是存在振動和噪聲較大，對金屬屑等異物特別敏感，軸承一旦進(jìn)入異物，就會產(chǎn)生持續(xù)的較大的振動和異響，造成軸承損壞。

圖1 軸承裝配圖

該風(fēng)電場 winergy1.5MW 雙饋電發(fā)電機(jī)采用型號為 6330M/C3 的軸承，軸承絕緣結(jié)構(gòu)為采用絕緣軸承座和軸承前后加絕緣擋板方式如圖2：

圖2 winergy1.5MW軸承絕緣方式

2 發(fā)電機(jī)軸電壓與軸電流的產(chǎn)生原因

（1）因磁場不平衡而產(chǎn)生的軸電壓，發(fā)電機(jī)因扇形板軸因素、硅鋼板柱荷載因素以及核心槽帶有通風(fēng)口等，引起不平衡存在的磁阻，而且轉(zhuǎn)軸四周有交變磁通切割轉(zhuǎn)軸，在軸的兩端形成感應(yīng)電壓，當(dāng)軸電壓達(dá)到一定值時，通過軸承及其底座等形成閉合回路產(chǎn)生軸電流。

（2）如果風(fēng)機(jī)變頻器采用 PWM 的調(diào)制方式，當(dāng)對功率器件進(jìn)行快速開關(guān)時，就一定會產(chǎn)生電壓尖峰，這種尖峰電壓變化率（dv/dt）極高，形成高頻電壓，可以通過轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的寄生電容、寄生電感耦合至電機(jī)的軸，再傳導(dǎo)軸承與地形成回路，產(chǎn)生高頻軸承電流[3]。

（3）測溫元件絕緣層損壞失效、靜電積累都是導(dǎo)致軸電壓產(chǎn)生的可能因素，而軸電壓如果在轉(zhuǎn)軸與機(jī)座、殼體之間形成回路，就導(dǎo)致了軸電流的產(chǎn)生。

3 軸電流對發(fā)電機(jī)的影響

3.1 對軸承造成電灼傷

正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間的潤滑油膜，會起到一定的絕緣作用，但在潤滑油膜被擊穿后，油膜形成的寄生電容中存儲的電荷通過極小擊穿點(diǎn)導(dǎo)通放電，在軸承滾道表面微小的金屬面上產(chǎn)生了極高的電流密度同時瞬間釋放出極高的熱量，熔化了放電點(diǎn)的金屬從而形成凹坑。隨著風(fēng)機(jī)的不斷運(yùn)行，高頻周電壓擊穿油膜放電而形成的軸承表面凹坑不斷增多，滾動體、軸承內(nèi)圈、外圈的光潔度隨之破壞，不斷積累下便形成了滾動體表面肉眼可見的搓板紋如下圖3，最后就造成了軸承因為游隙、振動過大以及溫度升高等因素失效[4]。

圖3 軸電流腐蝕失效現(xiàn)象

特別是當(dāng)軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間，軸電流可達(dá)上千安，將嚴(yán)重灼傷軸瓦，造成軸承保持架斷裂、滾動體損壞，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子軸抱死情況如下圖4，損壞轉(zhuǎn)子軸，最后不得更換發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生高昂吊裝和維修費(fèi)用。

圖4 軸電流導(dǎo)致軸承失效現(xiàn)象

3.2 損害潤滑油脂的潤滑性能

潤滑油脂在軸承旋轉(zhuǎn)過程中會形成一層油膜，油膜形成的寄生電容可以起到絕緣作用，油膜厚度決定了電容值的大小。風(fēng)機(jī)在高空運(yùn)行時，由于特殊工況導(dǎo)致軸承油膜不穩(wěn)定，寄生電容的電壓可能會升高，而當(dāng)高于油膜能承受的電壓時，油膜就會被擊穿。油膜被擊穿時，油脂被電解碳化，造成極壓潤滑，使軸承溫度迅速升高，嚴(yán)重時造成軸承失效。

3.3 對軸承座絕緣的影響

如下圖5所示，該系列發(fā)電機(jī)前后均采用絕緣軸承座，絕緣軸承座的形式為內(nèi)圈采用噴涂絕緣處理，絕緣厚約 2~3mm，（目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的噴涂材料為特弗龍或氧化鋁），從下圖 5 中可初步判定該絕緣材料為氧化鋁（氧化鋁材料類似于 SKF 的電絕緣軸承的絕緣層），其強(qiáng)度較低。該絕緣層作為電機(jī)軸承的承載區(qū)域使用，發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行還存在各種各樣的沖擊、蠕變等負(fù)荷，該處的絕緣易導(dǎo)致接觸失效，如果出現(xiàn)反復(fù)的軸電流失效，則應(yīng)重點(diǎn)檢查軸承座絕緣結(jié)構(gòu)是否損壞。但也有可能由軸承座內(nèi)圈以及軸承兩端絕緣端板所形成的軸承對地絕緣結(jié)構(gòu)可能會因為包容空間的爬電導(dǎo)致絕緣失效。

圖5 winergy發(fā)電機(jī)噴涂絕緣結(jié)構(gòu)的軸承座

3.4 對發(fā)電機(jī)其他方面影響

根據(jù)該風(fēng)電場 winergy1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行故障情況，因軸電流造成軸承失效的發(fā)電機(jī)，歷史故障列表中基本都報過發(fā)電機(jī)過速故障，現(xiàn)場處理發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)驅(qū)動端測速接近開關(guān)失效（故障代碼為 335）如下圖6。因軸電流灼傷軸承造成發(fā)電機(jī)振動和噪聲非常大，風(fēng)機(jī)長時間運(yùn)行后會造成編碼器故障（故障代碼為112、141）并引起機(jī)組強(qiáng)烈振動，影響機(jī)組運(yùn)行安全。

圖6 軸電流導(dǎo)致測速接近開關(guān)失效現(xiàn)象

4 軸電流的防范與解決措施

（1）接地電刷油脂污染及接地碳刷結(jié)構(gòu)問題。該系列電機(jī)集電環(huán)采用離心式風(fēng)扇安裝于滑環(huán)尾端，采用抽風(fēng)方式進(jìn)行排灰，但其進(jìn)風(fēng)口較小，且由該風(fēng)扇造成軸承室與集電環(huán)室存在風(fēng)壓差，若集電環(huán)的風(fēng)壓太低，易造成軸承外蓋漏油，目前從現(xiàn)場的情況看，仍然存在漏油的情況，如下圖7，由于接地環(huán)與軸承外蓋靠得很近，一旦漏油，接電環(huán)表面形成一層油膜，影響了接地電刷的導(dǎo)通，并且油污進(jìn)入接地刷盒中造成碳刷卡阻、微動報警開關(guān)失效[5]。

圖7 接地環(huán)油脂污染情況

在這種情況下，軸承對電容性放電的保護(hù)將失效，加大接地碳刷接觸面積，定期并加強(qiáng)對接地環(huán)表面的清污，確保接地碳刷可靠接地。

（2）在前述對該系列發(fā)電機(jī)非驅(qū)動端增大接地環(huán)軸向尺寸，加大接地碳刷接觸面積時，驅(qū)動端增加一組接地電刷見下圖 8，使接地更加可靠，改善接地效果，更好地釋放積累的電荷，該風(fēng)電場對一期發(fā)電機(jī)采用此種方式進(jìn)行軸電流接地引流，取得一定效果。

圖8 驅(qū)動端加裝接地安裝圖

（3）對電機(jī)的軸電壓以及變頻器的 du/dt 等進(jìn)行測試，視情況增加濾波裝置，降低共模電壓影響；或加裝電流保護(hù)裝置，可以及時報警，能更好地查找故障原因并進(jìn)行及時處理。

（4）采用離線式或在線式振動分析儀、軸承聽診器等定期對軸承進(jìn)行監(jiān)測，爭取盡早發(fā)現(xiàn)軸承問題，并針對性地進(jìn)行處理。

（5）定期清理發(fā)電機(jī)集電環(huán)、刷架，避免碳粉沉積降低正負(fù)兩極絕緣；定期檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣，絕緣降低必須立即處理；定期檢查發(fā)電機(jī)各測溫、測速、報警開關(guān)等絕緣，是否有線頭脫落與轉(zhuǎn)軸搭接。

（6）對軸承油脂定期采樣，分析油脂成分是否含有金屬微粒，并對油脂外觀顏色記錄，監(jiān)控軸承溫度，視情況對軸承潤滑等情況進(jìn)行調(diào)整，注意定期清理軸承廢油。

5 結(jié)語

采取措施防止形成軸電流回路以及采用軸電流防范措施，防止軸電流對發(fā)電機(jī)軸承造成損壞及對發(fā)電機(jī)其他方面的影響，減少發(fā)電機(jī)故障，為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。