風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流的研究

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流對(duì)軸承影響及防范措施摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承失效頻繁發(fā)生,在研究應(yīng)用條件和調(diào)查軸承失效的基礎(chǔ)上,基本確認(rèn)了造成軸承失效的根本原因:雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)所導(dǎo)致的軸承過(guò)電流和相應(yīng)的電腐蝕及潤(rùn)滑、磨損等。本文概述分析了軸電壓軸電流產(chǎn)生的原理和造成的危害，詳述了對(duì)軸電壓的抑制措施，并在風(fēng)電場(chǎng)推廣應(yīng)用，實(shí)踐驗(yàn)證了軸電流抑制技術(shù)的有效性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；軸承；軸電流；解決方案WindturbinegeneratorshaftvoltageandshaftcurrentonthebearingandpreventivemeasuresCHENGuo-qiang，CHENGuo-zhon

2、g，XXXShenHuaJiTuanGuoHu(TongLiao)WindpowerAbstract：Bearingfailuresofwindturbinegeneratorareoccurringfrequently.Basedonapplicationstudiesandbearinginvestigationsmainrootcauseshavebeenidentified:electricalcurrentpassage,electricalerosionrespectively,duetofrequencyconvertersupplyofdoubly-fedinductionge

3、neratorsandlubricationandwearrelatedproblems.Thispaperanalyzedthecauseofshaftvoltageandshaftcurrentanditsrelatedharmindoubly-fedwindturbinearchitecture.Measurestosuppresstheshaftvoltageandshaftcurrentaredetailedandputintopracticeinpilotwindfarms.Theeffectivenessofthemeasuresareapprovedbyfielddata.Ke

4、ywords:windpowergeneration；Bearing；Shaftcurrent；Thesolution一、研究背景XX風(fēng)電場(chǎng)，裝有56臺(tái)華銳SL1500機(jī)組，于2015年1月并網(wǎng)發(fā)電，在運(yùn)行的2年中由于發(fā)電機(jī)軸承的損壞給機(jī)組正常運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)統(tǒng)計(jì)2013年共計(jì)更換發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承19次，年損壞率達(dá)28%，更換非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承22次，年損壞率達(dá)33%，造成直接和間接經(jīng)濟(jì)損失近百萬(wàn)元，因此，研究發(fā)電機(jī)軸承的損壞原因并提出改進(jìn)措施顯得尤為重要。二、研究目的通過(guò)對(duì)機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承損壞的原因進(jìn)行多方位分析，主要針對(duì)軸電壓軸電流的產(chǎn)生及對(duì)軸承的影響進(jìn)行分析，提出改善

5、方案，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，保證發(fā)電機(jī)軸承穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)軸承使用壽命。三、發(fā)電機(jī)軸承損壞原因分析與防范措施1. 潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)到運(yùn)行壽命的一個(gè)重要條件就是有足夠的潤(rùn)滑。潤(rùn)滑劑的作用就是形成保護(hù)性油膜,分隔滾動(dòng)接觸表面,防止金屬與金屬的直接接觸。潤(rùn)滑劑還應(yīng)有保護(hù)相應(yīng)部件不受腐蝕的作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般選用潤(rùn)滑脂作為軸承潤(rùn)滑劑，如果潤(rùn)滑不足會(huì)導(dǎo)致軸承磨損，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使軸承失效，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。2. 發(fā)電機(jī)與齒輪箱軸不對(duì)中發(fā)電機(jī)與齒輪箱軸不對(duì)中會(huì)誘發(fā)同步軸振動(dòng)，雖然聯(lián)軸器會(huì)吸收一定的振動(dòng)，但是大負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)使發(fā)電機(jī)軸承游隙變大，長(zhǎng)期運(yùn)行不僅損壞發(fā)電機(jī)軸承，對(duì)齒輪箱軸承也會(huì)有損傷，造成機(jī)組的振動(dòng)過(guò)

6、大，影響機(jī)組正常運(yùn)行。3. 軸承安裝工藝與材質(zhì)問(wèn)題軸承在運(yùn)輸或安裝過(guò)程中有較大硬力的碰撞，導(dǎo)致軸承部分受損，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行磨損嚴(yán)重，軸承失效。4. 電腐蝕電流流過(guò)軸承的問(wèn)題十分常見(jiàn),這種現(xiàn)象就是所謂的電腐蝕。軸承電腐蝕通常發(fā)生在電流經(jīng)由滾動(dòng)體從一個(gè)滾道流到另一個(gè)滾道的時(shí)候。電蝕對(duì)軸承的破壞程度取決于放電能量和持續(xù)時(shí)間,但破壞效果基本相似,包括:滾動(dòng)體和滾道上的微小電蝕凹坑、潤(rùn)滑迅速退化、失效第二階段的搓板紋及相應(yīng)的軸承失效等。為解決華銳機(jī)組軸承的頻繁失效，我風(fēng)電場(chǎng)采取了一系列措施。檢修人員專人跟蹤定期檢查發(fā)電機(jī)自動(dòng)加脂機(jī)運(yùn)行情況，并且定期手動(dòng)給軸承注油，保證軸承的良好潤(rùn)滑；加大軸對(duì)中檢查的頻率，保

7、證對(duì)中精確度；在更換軸承時(shí)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母鼡Q方案，避免軸承內(nèi)進(jìn)入臟污和軸承的磕碰等機(jī)械損傷。運(yùn)行人員時(shí)時(shí)記錄發(fā)電機(jī)前后軸承溫度變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通知檢修人員登機(jī)檢查。最大限度的排除了潤(rùn)滑、安裝工藝、軸對(duì)中等原因在內(nèi)的可控因素，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間觀察，仍有軸承振動(dòng)報(bào)警，對(duì)更換后的軸承檢查發(fā)現(xiàn)90%都是由電蝕造成的搓衣板紋傷痕，也就是說(shuō)軸電壓和軸電流是軸承的損傷主要，四、軸電壓軸電流的產(chǎn)生及危害1、軸電壓軸電流產(chǎn)生原因由于風(fēng)電機(jī)組變頻器采用PWM的調(diào)制方式，功率器件在快速開(kāi)關(guān)時(shí)刻不可避免地產(chǎn)生電壓尖峰，該尖峰的電壓變化率（dv/dt）極高，可超過(guò)3000V/S，該尖峰電壓對(duì)應(yīng)的頻率約為1MHz，可以輕易地通過(guò)

8、傳動(dòng)系統(tǒng)的寄生電容、寄生電感耦合至電機(jī)的軸，再傳導(dǎo)（或通過(guò)絕緣層容性耦合）至軸承的內(nèi)圈，擊穿油膜后傳導(dǎo)至軸承外圈，外圈通過(guò)傳導(dǎo)（或通過(guò)容性耦合）與地形成回路，產(chǎn)生高頻軸承電流。2. 軸電壓軸電流的危害（1）損壞潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能潤(rùn)滑油在軸承旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生油膜，所形成的寄生電容記為Cb,如圖（4.1）所示，Cb電容值大小主要受油膜厚度的影響，而油膜的厚度由油脂的特性、電機(jī)的轉(zhuǎn)速及油脂的溫度等因素決定。風(fēng)電機(jī)組在高空擺動(dòng)情況下將造成軸承油膜不穩(wěn)定，一旦Cb上的電壓高于油膜能承受的電壓時(shí)，油膜被擊穿，我風(fēng)場(chǎng)華銳機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承潤(rùn)滑脂選用的是殼牌AlbidaEMS2潤(rùn)滑油脂，其油膜擊穿電壓在200V左右

9、。油膜在被擊穿的同時(shí)，潤(rùn)滑油被電解，導(dǎo)致潤(rùn)滑油性能下降。且在對(duì)新舊軸承的內(nèi)圈對(duì)外圈的絕緣測(cè)試發(fā)現(xiàn)，新軸承的絕緣阻值為500Q左右，而就軸承的絕緣阻值基本為0Q,即絕緣油的電解是一個(gè)不可逆的過(guò)程。所以潤(rùn)滑油一旦被擊穿，潤(rùn)滑油性能已經(jīng)開(kāi)始下降了，從而造成軸承長(zhǎng)期潤(rùn)滑不良，加快磨損。圖4.1（1）對(duì)軸承造成電腐蝕在潤(rùn)滑油膜被擊穿后，Cb內(nèi)存儲(chǔ)的電荷通過(guò)極小的擊穿點(diǎn)導(dǎo)通放電，在軸承滾道表面微小的金屬面上產(chǎn)生極高的電流密度,瞬間產(chǎn)生極高的熱量使放電點(diǎn)的金屬熔化，形成凹坑。隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，由于高頻軸電壓擊穿油膜放電而持續(xù)形成的軸承表面凹坑不斷增多，破壞軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體、外圈的光潔度，逐漸積

10、累形成了滾動(dòng)體表面肉眼可見(jiàn)的搓衣板紋如圖（4.2）,最終導(dǎo)致軸承由于游隙過(guò)大、振動(dòng)過(guò)大、溫升過(guò)高等因素失效。圖4.2五、改進(jìn)措施針對(duì)軸電壓軸電流，我們提出的改進(jìn)措施就是在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸端安裝接地碳刷。因?yàn)樵瓉?lái)的發(fā)電機(jī)軸只有在非驅(qū)動(dòng)側(cè)安裝接地碳刷，一組接地碳刷其導(dǎo)流性較弱，且在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可能因?yàn)檎饎?dòng)使接地碳刷與軸接觸不實(shí)，如果此種情況發(fā)生會(huì)使發(fā)電機(jī)軸無(wú)接地運(yùn)行，其軸電壓急劇增加，油膜迅速被擊穿，造成軸承的電腐蝕速度增加。為降低軸電位，減少轉(zhuǎn)軸上的電荷積累量，有效的將軸電流分散導(dǎo)入接地端，避免發(fā)電機(jī)軸因與接地碳刷接觸不實(shí)無(wú)接地運(yùn)行。具體方法如下：在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸上固定表面光滑的接地環(huán)，使其與發(fā)電

11、機(jī)軸緊密接觸且牢靠。2在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸端蓋上安裝接地刷架，并將碳刷報(bào)警接線串聯(lián)到定子接線盒中的集電環(huán)碳刷報(bào)警回路中，如圖（5.1）所示:圖5.13將接地刷架的接地線圍繞電機(jī)引到非驅(qū)動(dòng)端，如圖（5.2）所示:圖5.24將接地線接到非驅(qū)動(dòng)端集電環(huán)地環(huán)地線上通過(guò)轉(zhuǎn)子接線盒導(dǎo)出，如圖（5.3）所示:圖5.3六、數(shù)據(jù)測(cè)量及分析1、測(cè)量前準(zhǔn)備工作拆開(kāi)聯(lián)軸器罩殼、發(fā)電機(jī)集電環(huán)室罩殼，將驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)接地碳刷及接線均拆下；2、測(cè)量無(wú)接地時(shí)軸電壓將自制測(cè)試碳刷安裝到發(fā)電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)側(cè)（碳刷與軸接觸良好），引出導(dǎo)線，將萬(wàn)用表調(diào)到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆接地，啟機(jī)運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整葉片角度調(diào)整風(fēng)機(jī)負(fù)荷，

12、分別在300kw、500kw、800kw負(fù)荷時(shí)測(cè)量軸電流并記錄數(shù)據(jù)，如圖（6.1）；圖6.13、測(cè)量軸非驅(qū)動(dòng)端接地時(shí)的軸電流將自制測(cè)試碳刷分別安裝到發(fā)電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)側(cè)如圖（6.2）、驅(qū)動(dòng)側(cè)如圖（6.3）,引出導(dǎo)線,將萬(wàn)用表調(diào)到交流電流檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆對(duì)可靠接地，啟機(jī)運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整葉片角度調(diào)整風(fēng)機(jī)負(fù)荷，分別在300kw、500kw、800kw負(fù)荷時(shí)測(cè)量軸電流并記錄數(shù)據(jù);目11圖6.3圖6.24、測(cè)量軸有一端接地時(shí)的軸電壓（1）將機(jī)組原接地碳刷安裝到發(fā)電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端，并在接地碳刷上引出導(dǎo)線，將萬(wàn)用表調(diào)到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆可靠接地，啟機(jī)運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整葉片角度調(diào)

13、整風(fēng)機(jī)負(fù)荷，在300kw、500kw、800kw負(fù)荷時(shí)分別測(cè)量非驅(qū)動(dòng)端如圖（6.4）軸電壓并記錄數(shù)據(jù)；（2）將機(jī)組原接地碳刷安裝到發(fā)電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端，在軸的驅(qū)動(dòng)端安裝自制測(cè)試碳刷并引出導(dǎo)線，將萬(wàn)用表調(diào)到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆可靠接地，啟機(jī)運(yùn)行,通過(guò)調(diào)整葉片角度調(diào)整風(fēng)機(jī)負(fù)荷，在300kw、500kw、800kw負(fù)荷時(shí)分別測(cè)量驅(qū)動(dòng)端如圖（6.5）軸電壓并記錄數(shù)據(jù)；圖6.5圖6.45、測(cè)量軸兩端接地時(shí)的軸電流：將機(jī)組原接地碳刷分別安裝到發(fā)電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端、驅(qū)動(dòng)端,在軸的另一側(cè)安裝自制測(cè)試碳刷并引出導(dǎo)線，將萬(wàn)用表調(diào)到交流電流檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆對(duì)可靠接地，啟機(jī)運(yùn)行，通過(guò)調(diào)

14、整葉片角度調(diào)整風(fēng)機(jī)負(fù)荷，在300kw、500kw、800kw負(fù)荷時(shí)分別測(cè)量非驅(qū)動(dòng)端如圖（6.6）與驅(qū)動(dòng)端如圖（6.7）軸電流并記錄數(shù)據(jù)；圖6.6圖6.76、測(cè)量軸兩端接地時(shí)的軸電壓：將機(jī)組原接地碳刷安裝到發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端，分別在驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端引出導(dǎo)線，將萬(wàn)用表調(diào)到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆對(duì)可靠接地，啟機(jī)運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整葉片角度調(diào)整風(fēng)機(jī)負(fù)荷，在300kw、500kw、800kw負(fù)荷時(shí)分別測(cè)量非驅(qū)動(dòng)端如圖（6.8）與驅(qū)動(dòng)端如圖（6.9）軸電壓并記錄數(shù)據(jù)；HEF?tIffffJF*©圖6.8圖6.97、選取15臺(tái)不同條件的機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)，其中5臺(tái)機(jī)組更換過(guò)發(fā)電機(jī)兩端

15、軸承振動(dòng)趨勢(shì)平穩(wěn)，5臺(tái)更換過(guò)發(fā)電機(jī)兩端軸承但振動(dòng)趨勢(shì)有上升機(jī)組，5臺(tái)未更換過(guò)發(fā)電機(jī)軸承的機(jī)組，按照以上方法測(cè)量技改前后的數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表6.1：華銳風(fēng)機(jī)軸電流測(cè)量數(shù)據(jù)記錄風(fēng)機(jī)編號(hào)負(fù)荷(kw)軸無(wú)接地時(shí)電壓（V）技改前（非驅(qū)動(dòng)端接地）技改后（兩端全部接地）驅(qū)動(dòng)端非驅(qū)動(dòng)端驅(qū)動(dòng)端非驅(qū)動(dòng)端電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）更換軸承后運(yùn)行平穩(wěn)391043002853.22.03.501.001.505002673.11.94.101.001.808002563.41.83.801.101.70391053003053.92.23.901.301.70500289

16、3.52.14.101.101.808003004.12.12.801.301.20391083002852.82.03.300.901.405002963.32.12.501.101.108002872.52.14.300.801.90391113003414.32.43.701.401.605003203.72.33.801.201.708003123.82.23.201.201.40394043002853.22.03.601.001.605002943.62.12.901.201.308002982.92.15.200.902.30更換軸承后振動(dòng)有增長(zhǎng)391023003025.42.2

17、4.701.802.005002974.72.13.501.501.508003103.52.23.401.101.50391093002653.41.92.901.101.305002702.91.93.501.001.508002903.52.14.101.201.80391123002164.11.53.801.401.705003303.82.43.901.301.708002393.91.73.501.301.50393053002874.12.13.401.401.505003412.82.43.900.901.708003203.32.33.501.101.50392013003

18、122.52.24.100.901.805002854.32.02.801.401.208002943.72.13.301.201.40391013002983.82.12.501.301.105003023.22.24.301.101.908002973.62.13.701.201.60393023003102.92.23.800.901.705002655.21.93.201.701.408002704.71.93.601.601.60393033002903.52.12.901.101.305002163.41.55.401.102.308003302.92.44.701.002.003

19、93073002393.51.73.501.201.505002564.11.83.401.401.508003053.82.22.901.301.30394053002893.92.13.501.301.505003003.52.13.801.201.708002854.02.03.201.301.40趨勢(shì)未更換過(guò)軸承表6.1七、改進(jìn)措施后的可行性分析1、采集數(shù)據(jù)分析根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以明顯看出，雖然機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)不同，但是發(fā)電機(jī)軸有一組接地碳刷比無(wú)接地碳刷時(shí)的軸電壓減小了100多倍，而兩組接地碳刷發(fā)電機(jī)軸電壓為0，比一組接地碳刷減小2倍多；軸電流也有明顯的減小，技改后為技改前

20、的1/2左右。雖然不能夠徹底消除軸電流軸電壓，但是通過(guò)技改后能夠很好的抑制了軸電壓軸電流的對(duì)軸承的損壞。具體分析如下：（1）分別取不同負(fù)荷測(cè)得數(shù)據(jù)的平均值，驅(qū)動(dòng)端測(cè)量軸電流在技改前和技改后的對(duì)比如XXXX風(fēng)電場(chǎng)圖（7.1）所示:圖7.1（2）驅(qū)動(dòng)端軸電壓在技改前為2V左右，技改后為0V：（3）非驅(qū)動(dòng)端測(cè)得的軸電流技改前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖（7.2）所示:非嶇動(dòng)端軸電流測(cè)量丁皆閉381街SL35HiK3521L3KC4332垃35i-S381立353053313&盤(pán)H3E£5SC33333735圖7.2（4）非驅(qū)動(dòng)端測(cè)得的軸電壓技改前后皆為ov：2、振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析結(jié)合振動(dòng)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)近

21、3個(gè)月的觀察后發(fā)現(xiàn)，雖然所選的機(jī)組軸承狀態(tài)不同，但是技改后的機(jī)組發(fā)電機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)都比較平穩(wěn)，沒(méi)有上升趨勢(shì)，說(shuō)明新更換的軸承沒(méi)有損壞跡象或者已經(jīng)損壞的軸承損壞程度沒(méi)有進(jìn)一步惡化，具體分析如下：（1）39104號(hào)風(fēng)機(jī)，于2013年11月份更換發(fā)電機(jī)兩端軸承，同時(shí)進(jìn)行了發(fā)電機(jī)接地技改，通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)實(shí)時(shí)觀察，技改之后軸承運(yùn)行良好，趨勢(shì)處于平穩(wěn)狀態(tài)，趨勢(shì)如圖7.3）所示：圖（7.3）（2）39102號(hào)風(fēng)機(jī)，于2013年5月更換的發(fā)電機(jī)前后軸承，更換后軸承在運(yùn)行大概半年后出現(xiàn)振動(dòng)上升的趨勢(shì)，技改后振動(dòng)趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，如圖（7.4）所示:圖7.4（3）39405號(hào)風(fēng)機(jī)，并網(wǎng)運(yùn)行后至今未更換過(guò)發(fā)電機(jī)軸承，其振動(dòng)檢

22、測(cè)趨勢(shì)有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，技改后其增長(zhǎng)趨勢(shì)得到抑制，如圖（7.5）所示:圖7.53、與其他機(jī)型軸電壓軸電流對(duì)比我風(fēng)電場(chǎng)有部分東汽FD82B型機(jī)組，此型號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承驅(qū)動(dòng)側(cè)，與非驅(qū)動(dòng)側(cè)皆有接地碳刷。與華銳SL1500機(jī)組同時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行，但在運(yùn)行過(guò)程中年損壞率較低，驅(qū)動(dòng)側(cè)年損壞率為3.2，非驅(qū)動(dòng)側(cè)年損壞率為3.0。在用上述方法對(duì)東汽機(jī)組抽樣測(cè)量后結(jié)果如表（7.1）。東汽風(fēng)機(jī)軸電流測(cè)量數(shù)據(jù)記錄風(fēng)機(jī)編號(hào)負(fù)荷（kw）軸無(wú)接地時(shí)電壓（V）技改前（一端接地）技改后（兩端全部接地）驅(qū)動(dòng)端非驅(qū)動(dòng)端驅(qū)動(dòng)端非驅(qū)動(dòng)端電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）394013002783.

23、62.44.501.401.605003073.52.03.101.301.408002943.41.93.601.301.50395123003013.72.13.601.401.805002883.52.23.101.201.508002893.12.23.801.101.70396063003223.81.92.300.901.305003283.92.12.501.101.408003783.52.03.101.201.50397043002853.72.43.601.401.805002893.72.33.801.301.708003063.82.73.101.301.90398073002863.71.93.601.101.305002973.62.14.901.201.408003044.22.03.701.801.60表7.1由以上數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，東汽機(jī)組的發(fā)