风力发电机轴电压轴电流的研究

1、风力发电机轴电压轴电流对轴承影响及防范措施摘要：风力发电机轴承失效频繁发生,在研究应用条件和调查轴承失效的基础上,基本确认了造成轴承失效的根本原因:双馈感应发电机变频驱动所导致的轴承过电流和相应的电腐蚀及润滑、磨损等。本文概述分析了轴电压轴电流产生的原理和造成的危害，详述了对轴电压的抑制措施，并在风电场推广应用，实践验证了轴电流抑制技术的有效性。关键词：风力发电；轴承；轴电流；解决方案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风电场，装有56台华锐SL1500机组，于2015年1月并网发电，在运行的2年中由于发电机轴承的损坏给机组正常运行产生了严重的影响，造成一定的经济损失。经统计2013年共计更换发电机驱动侧轴承19次，年损坏率达28%，更换非驱动侧轴承22次，年损坏率达33%，造成直接和间接经济损失近百万元，因此，研究发电机轴承的损坏原因并提出改进措施显得尤为重要。二、研究目的通过对机组发电机轴承损坏的原因进行多方位分析，主要针对轴电压轴电流的产生及对轴承的影响进行分析，提出改善

5、方案，并进行测试验证，保证发电机轴承稳定运行，延长轴承使用寿命。三、发电机轴承损坏原因分析与防范措施1. 润滑滚动轴承稳定运行达到运行寿命的一个重要条件就是有足够的润滑。润滑剂的作用就是形成保护性油膜,分隔滚动接触表面,防止金属与金属的直接接触。润滑剂还应有保护相应部件不受腐蚀的作用。风力发电机一般选用润滑脂作为轴承润滑剂，如果润滑不足会导致轴承磨损，长时间会使轴承失效，发电机产生振动。2. 发电机与齿轮箱轴不对中发电机与齿轮箱轴不对中会诱发同步轴振动，虽然联轴器会吸收一定的振动，但是大负荷长时间的振动会使发电机轴承游隙变大，长期运行不仅损坏发电机轴承，对齿轮箱轴承也会有损伤，造成机组的振动过

6、大，影响机组正常运行。3. 轴承安装工艺与材质问题轴承在运输或安装过程中有较大硬力的碰撞，导致轴承部分受损，长时间运行磨损严重，轴承失效。4. 电腐蚀电流流过轴承的问题十分常见,这种现象就是所谓的电腐蚀。轴承电腐蚀通常发生在电流经由滚动体从一个滚道流到另一个滚道的时候。电蚀对轴承的破坏程度取决于放电能量和持续时间,但破坏效果基本相似,包括:滚动体和滚道上的微小电蚀凹坑、润滑迅速退化、失效第二阶段的搓板纹及相应的轴承失效等。为解决华锐机组轴承的频繁失效，我风电场采取了一系列措施。检修人员专人跟踪定期检查发电机自动加脂机运行情况，并且定期手动给轴承注油，保证轴承的良好润滑；加大轴对中检查的频率，保

7、证对中精确度；在更换轴承时有严谨的更换方案，避免轴承内进入脏污和轴承的磕碰等机械损伤。运行人员时时记录发电机前后轴承温度变化，发现异常及时通知检修人员登机检查。最大限度的排除了润滑、安装工艺、轴对中等原因在内的可控因素，经过一段时间观察，仍有轴承振动报警，对更换后的轴承检查发现90%都是由电蚀造成的搓衣板纹伤痕，也就是说轴电压和轴电流是轴承的损伤主要，四、轴电压轴电流的产生及危害1、轴电压轴电流产生原因由于风电机组变频器采用PWM的调制方式，功率器件在快速开关时刻不可避免地产生电压尖峰，该尖峰的电压变化率（dv/dt）极高，可超过3000V/S，该尖峰电压对应的频率约为1MHz，可以轻易地通过

8、传动系统的寄生电容、寄生电感耦合至电机的轴，再传导（或通过绝缘层容性耦合）至轴承的内圈，击穿油膜后传导至轴承外圈，外圈通过传导（或通过容性耦合）与地形成回路，产生高频轴承电流。2. 轴电压轴电流的危害（1）损坏润滑油的润滑性能润滑油在轴承旋转过程中会产生油膜，所形成的寄生电容记为Cb,如图（4.1）所示，Cb电容值大小主要受油膜厚度的影响，而油膜的厚度由油脂的特性、电机的转速及油脂的温度等因素决定。风电机组在高空摆动情况下将造成轴承油膜不稳定，一旦Cb上的电压高于油膜能承受的电压时，油膜被击穿，我风场华锐机组发电机轴承润滑脂选用的是壳牌AlbidaEMS2润滑油脂，其油膜击穿电压在200V左右

9、。油膜在被击穿的同时，润滑油被电解，导致润滑油性能下降。且在对新旧轴承的内圈对外圈的绝缘测试发现，新轴承的绝缘阻值为500Q左右，而就轴承的绝缘阻值基本为0Q,即绝缘油的电解是一个不可逆的过程。所以润滑油一旦被击穿，润滑油性能已经开始下降了，从而造成轴承长期润滑不良，加快磨损。图4.1（1）对轴承造成电腐蚀在润滑油膜被击穿后，Cb内存储的电荷通过极小的击穿点导通放电，在轴承滚道表面微小的金属面上产生极高的电流密度,瞬间产生极高的热量使放电点的金属熔化，形成凹坑。随着风电机组运行时间的不断增加，由于高频轴电压击穿油膜放电而持续形成的轴承表面凹坑不断增多，破坏轴承内圈、滚动体、外圈的光洁度，逐渐积

10、累形成了滚动体表面肉眼可见的搓衣板纹如图（4.2）,最终导致轴承由于游隙过大、振动过大、温升过高等因素失效。图4.2五、改进措施针对轴电压轴电流，我们提出的改进措施就是在发电机驱动轴端安装接地碳刷。因为原来的发电机轴只有在非驱动侧安装接地碳刷，一组接地碳刷其导流性较弱，且在风机运行过程中可能因为震动使接地碳刷与轴接触不实，如果此种情况发生会使发电机轴无接地运行，其轴电压急剧增加，油膜迅速被击穿，造成轴承的电腐蚀速度增加。为降低轴电位，减少转轴上的电荷积累量，有效的将轴电流分散导入接地端，避免发电机轴因与接地碳刷接触不实无接地运行。具体方法如下：在发电机驱动端轴上固定表面光滑的接地环，使其与发电

11、机轴紧密接触且牢靠。2在发电机驱动轴端盖上安装接地刷架，并将碳刷报警接线串联到定子接线盒中的集电环碳刷报警回路中，如图（5.1）所示:图5.13将接地刷架的接地线围绕电机引到非驱动端，如图（5.2）所示:图5.24将接地线接到非驱动端集电环地环地线上通过转子接线盒导出，如图（5.3）所示:图5.3六、数据测量及分析1、测量前准备工作拆开联轴器罩壳、发电机集电环室罩壳，将驱动侧和非驱动侧接地碳刷及接线均拆下；2、测量无接地时轴电压将自制测试碳刷安装到发电机的非驱动侧（碳刷与轴接触良好），引出导线，将万用表调到交流电压档，一支表笔接碳刷引出线，一支表笔接地，启机运行，通过调整叶片角度调整风机负荷，

12、分别在300kw、500kw、800kw负荷时测量轴电流并记录数据，如图（6.1）；图6.13、测量轴非驱动端接地时的轴电流将自制测试碳刷分别安装到发电机的非驱动侧如图（6.2）、驱动侧如图（6.3）,引出导线,将万用表调到交流电流档，一支表笔接碳刷引出线，一支表笔对可靠接地，启机运行，通过调整叶片角度调整风机负荷，分别在300kw、500kw、800kw负荷时测量轴电流并记录数据;目11图6.3图6.24、测量轴有一端接地时的轴电压（1）将机组原接地碳刷安装到发电机的非驱动端，并在接地碳刷上引出导线，将万用表调到交流电压档，一支表笔接碳刷引出线，一支表笔可靠接地，启机运行，通过调整叶片角度调

13、整风机负荷，在300kw、500kw、800kw负荷时分别测量非驱动端如图（6.4）轴电压并记录数据；（2）将机组原接地碳刷安装到发电机的非驱动端，在轴的驱动端安装自制测试碳刷并引出导线，将万用表调到交流电压档，一支表笔接碳刷引出线，一支表笔可靠接地，启机运行,通过调整叶片角度调整风机负荷，在300kw、500kw、800kw负荷时分别测量驱动端如图（6.5）轴电压并记录数据；图6.5图6.45、测量轴两端接地时的轴电流：将机组原接地碳刷分别安装到发电机的非驱动端、驱动端,在轴的另一侧安装自制测试碳刷并引出导线，将万用表调到交流电流档，一支表笔接碳刷引出线，一支表笔对可靠接地，启机运行，通过调

14、整叶片角度调整风机负荷，在300kw、500kw、800kw负荷时分别测量非驱动端如图（6.6）与驱动端如图（6.7）轴电流并记录数据；图6.6图6.76、测量轴两端接地时的轴电压：将机组原接地碳刷安装到发电机的驱动端与非驱动端，分别在驱动端与非驱动端引出导线，将万用表调到交流电压档，一支表笔接碳刷引出线，一支表笔对可靠接地，启机运行，通过调整叶片角度调整风机负荷，在300kw、500kw、800kw负荷时分别测量非驱动端如图（6.8）与驱动端如图（6.9）轴电压并记录数据；HEF?tIffffJF*©图6.8图6.97、选取15台不同条件的机组进行试验，其中5台机组更换过发电机两端

15、轴承振动趋势平稳，5台更换过发电机两端轴承但振动趋势有上升机组，5台未更换过发电机轴承的机组，按照以上方法测量技改前后的数据，详见表6.1：华锐风机轴电流测量数据记录风机编号负荷(kw)轴无接地时电压（V）技改前（非驱动端接地）技改后（两端全部接地）驱动端非驱动端驱动端非驱动端电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）更换轴承后运行平稳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更换轴承后振动有增长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趋势未更换过轴承表6.1七、改进措施后的可行性分析1、采集数据分析根据测量数据对比分析可以明显看出，虽然机组的发电机轴承运行状态不同，但是发电机轴有一组接地碳刷比无接地碳刷时的轴电压减小了100多倍，而两组接地碳刷发电机轴电压为0，比一组接地碳刷减小2倍多；轴电流也有明显的减小，技改后为技改前

20、的1/2左右。虽然不能够彻底消除轴电流轴电压，但是通过技改后能够很好的抑制了轴电压轴电流的对轴承的损坏。具体分析如下：（1）分别取不同负荷测得数据的平均值，驱动端测量轴电流在技改前和技改后的对比如XXXX风电场图（7.1）所示:图7.1（2）驱动端轴电压在技改前为2V左右，技改后为0V：（3）非驱动端测得的轴电流技改前后的数据对比如图（7.2）所示:非岖动端轴电流测量丁皆閉381街SL35HiK3521L3KC4332垃35i-S381立353053313&盘H3E£5SC33333735图7.2（4）非驱动端测得的轴电压技改前后皆为ov：2、振动监测分析结合振动监测，经过近

21、3个月的观察后发现，虽然所选的机组轴承状态不同，但是技改后的机组发电机振动趋势都比较平稳，没有上升趋势，说明新更换的轴承没有损坏迹象或者已经损坏的轴承损坏程度没有进一步恶化，具体分析如下：（1）39104号风机，于2013年11月份更换发电机两端轴承，同时进行了发电机接地技改，通过振动检测实时观察，技改之后轴承运行良好，趋势处于平稳状态，趋势如图7.3）所示：图（7.3）（2）39102号风机，于2013年5月更换的发电机前后轴承，更换后轴承在运行大概半年后出现振动上升的趋势，技改后振动趋势趋于平稳，如图（7.4）所示:图7.4（3）39405号风机，并网运行后至今未更换过发电机轴承，其振动检

22、测趋势有明显增长趋势，技改后其增长趋势得到抑制，如图（7.5）所示:图7.53、与其他机型轴电压轴电流对比我风电场有部分东汽FD82B型机组，此型号机组发电机轴承驱动侧，与非驱动侧皆有接地碳刷。与华锐SL1500机组同时并网运行，但在运行过程中年损坏率较低，驱动侧年损坏率为3.2，非驱动侧年损坏率为3.0。在用上述方法对东汽机组抽样测量后结果如表（7.1）。东汽风机轴电流测量数据记录风机编号负荷（kw）轴无接地时电压（V）技改前（一端接地）技改后（两端全部接地）驱动端非驱动端驱动端非驱动端电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（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由以上数据不难发现，东汽机组的发