基于振動監測系統的雙饋發電機組軸電流故障分析

季曉龍，趙芡瑩

（1.浙江運達風電股份有限公司，浙江杭州 310012；2.杭州興源環保設備有限公司，浙江杭州 310058）

0 引言

近年來，為實現“碳達峰”“碳中和”的政策目標，國家加大了新能源發展建設，隨著我國風電裝機容量的增加，風力發電機組的故障問題也逐漸顯現出來。電機是風電設備的核心，目前風力發電機的故障主要集中在電機，而且大部分的電機故障是軸承失效，且由軸電流導致的軸承失效占比較高。如何保障發電機可靠運行，提高軸承使用壽命，已成為各個整機廠商以及電機供應商、軸承供應商重要的研究方向。

1 軸電流引起的軸承損壞原因分析

風力發電機組在運行時，變流器產生的共模及差模電壓是發電機產生軸電流的主要原因。以滾動軸承為例，滾道上形成的搓板紋形損傷可以充分證明有較大的電流流過，產生搓板紋形損傷故障現象主要有兩個原因：

（1）在軸承滾動體與滾道間，電流與潤滑油中的殘酸及水分，形成電化學腐蝕。由于滾動軸承的接觸基本上是點接觸，電流密度較大，這時會產生局部較大強度的電化學腐蝕。

（2）滾動軸承過度的潤滑，導致軸承內部形成的油膜不穩定，隨著軸承轉動忽大忽小，接觸電阻也在變化，導致間歇放電，引起軸承滾道的電腐蝕。電腐蝕的存在會導致滾道逐漸產生不平滑的表面，進一步導致接觸不良，會使滾道在幾周時間內形成擴大損傷的搓板紋形損傷。

以上兩種相近結果但不同機理的損傷是同時發生的，原因是軸電流反復作用擊穿油膜，導致間歇性電化學反應形成電腐蝕，從而對軸承造成損傷。

2 滾動軸承軸電流故障在振動信號中的表現

2.1 滾動軸承組成

滾動軸承組成部件有外圈、內圈、滾動體、保持架等。其中，外圈通常固定在軸承座上，內圈與軸頸相配合，并于軸頸一起旋轉，滾動體的數量、大小和形狀對滾動軸承的承載能力有著決定性作用，而保持架則是用來防止滾動體脫落的。

2.2 軸承故障特征頻率

由于長時間運行在速度和負載不斷變化的工況下，隨時間的增長，滾動軸承成為最易損壞的部件。造成滾動軸承故障的因素可分為外在因素和內在因素兩大類，外在因素主要有設備加工尺寸偏差、安裝和操作不當、潤滑油脂使用不當、軸承油脂污染等，而內在因素主要集中在滾動軸承在運行中受應力、電腐蝕、化學腐蝕等。

滾動軸承一旦發生故障，運行時滾動體每次接觸到故障部位就會產生瞬時沖擊響應，采集到的振動信號時域圖通常會表現出沖擊特性，并在頻譜圖上產生滾動軸承故障特征頻率。軸承的故障特征頻率計算公式見表1，其中R 為軸轉速、N 為滾動體個數、D 為軸承節圓直徑、d 為滾動體直徑、α 為接觸角。

表1 軸承故障特征頻率計算公式

2.3 電流故障振動信號表現

圖1 為某風電場風電機組傳動系統測點示分布，在10#、11#兩個位置安裝有振動傳感器，分別為發電機驅動端徑向測點、發電機非驅動端徑向測點。當故障機組發電機轉速為1710 r/min時，滾動軸承故障頻率見表2。

圖1 風電機組傳動系統示意

表2 滾動軸承故障頻率

2.4 對11#測點的振動信號進行圖形分析

（1）有效值趨勢圖分析。測點的振動有效值趨勢一直在上升，超過VDI3834[3]第一限度（10 m/s2）（圖2）。

圖2 11#測點的振動有效值趨勢

（2）時域圖分析。從時域波形圖中未發現明顯的、有規律的沖擊現象（圖3）。

圖3 11#測點時域圖

（3）頻譜圖分析。在頻率1000～6000 Hz，存在等間隔頻率（101.9 Hz）的調制現象，近似軸承外圈故障特征頻率（圖4）。

圖4 11#測點頻譜圖

（4）三維頻譜圖分析。軸承外圈故障頻率最初在頻率3000～6000 Hz，隨著故障的惡化，由高頻段逐漸向低頻段發展，故障現象越來越明顯（圖5）。

圖5 11#測點的三維頻譜圖

由以上在線振動狀態監測數據信號分析可知，軸電流故障出現在發電機非驅動端軸承上，振動有效值趨勢隨著故障惡化而逐漸上升，時域圖中無法明顯地分辨出故障沖擊現象，但是在頻譜圖中發現軸電流故障。故障初期，在3000～6000 Hz 的范圍以軸承外圈故障頻率存在，隨著軸電流故障惡化，故障頻率越來越明顯，通過三維頻譜圖可以看到故障頻率逐漸向著低頻發展。

3 故障處理

現場指導拆下發電機非驅動端軸承，并對其進行切割，發現軸承軸承滾道上有搓板紋形損傷（圖6）。經過更換軸承備件，該機組恢復正常運行。

圖6 軸承故障

4 結論

本研究從測點的振動有效值趨勢變化入手，初步確定軸承振動異常，然后對測點進行時域、頻譜、三維頻譜進行分析，準確地監測到軸承軸電流故障現象。對于軸承軸電流故障，可以通過振動監測系統進行準確監測，如果在故障初期進行人為干預，可以延緩軸承軸電流故障的惡化、延長軸承使用壽命。這也是基于在線振動狀態監測對滾動軸承軸電流故障監測與分析診斷的典型思路。