雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕保護(hù)裝置改進(jìn)研究

文 | 張劍

（作者單位：西門子電氣傳動(dòng)有限公司）

近十年來(lái)我國(guó)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增加，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為目前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主流機(jī)型。其中，雙饋型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組更是由于變頻器容量小、發(fā)電機(jī)制造簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境惡劣，可能遇到各種復(fù)雜的天氣狀況和運(yùn)行工況，軸承作為其中重要的易損部件，會(huì)出現(xiàn)各種故障問(wèn)題，如軸承假性布氏壓痕、疲勞磨損、內(nèi)圈跑套、軸承電腐蝕等。

本文主要對(duì)軸承電腐蝕情況進(jìn)行分析，根據(jù)軸承電腐蝕產(chǎn)生原因、常規(guī)的軸承電腐蝕防護(hù)措施及軸承電壓的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提出一種改進(jìn)的軸承電腐蝕保護(hù)裝置。

軸承電腐蝕原因

一、軸電流的產(chǎn)生

軸電流問(wèn)題自電機(jī)發(fā)展以來(lái)就一直被行業(yè)所關(guān)注，因?yàn)樗c軸承的實(shí)際壽命息息相關(guān)。目前行業(yè)內(nèi)主要將電機(jī)的軸電流分為兩類：（1）“傳統(tǒng)”軸電流；（2）由變頻器產(chǎn)生的軸電流。

“傳統(tǒng)”軸電流在過(guò)去幾十年已經(jīng)被廣泛研究，其主要是由電機(jī)內(nèi)部磁通不平衡引起，不平衡的漏磁通主要是由產(chǎn)品機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)公差和裝配過(guò)程引起，會(huì)在定子機(jī)殼、驅(qū)動(dòng)端軸承、軸以及非驅(qū)動(dòng)端軸承這個(gè)回路內(nèi)感應(yīng)電壓及電流。隨著電機(jī)尺寸的增大，磁路內(nèi)的漏磁通會(huì)增大，感應(yīng)電壓（可以通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子軸兩端的電壓大小進(jìn)行評(píng)判，通常軸電壓的安全值小于0.5V）也會(huì)隨之升高。

由IGBT變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)會(huì)產(chǎn)生新的軸電流現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不能用之前“傳統(tǒng)”軸電流理論解釋。該電流是變頻器的工模電壓與電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜寄生電容共同作用的結(jié)果，其大小與變頻器的直流母線電壓和載波頻率息息相關(guān)。但迄今為止軸電流與軸承壽命之間尚不能通過(guò)清晰的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這就是目前無(wú)法指定這類軸電流安全值的原因。然而，由PWM變頻器驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的軸電流同樣會(huì)像第一類“傳統(tǒng)”軸電流一樣加速軸承老化和損壞，因此，在一定情況下會(huì)減損軸承壽命。

二、軸承電腐蝕失效過(guò)程

電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，軸承內(nèi)、外圈滾道與滾動(dòng)體間存在的潤(rùn)滑油膜會(huì)起到一定的絕緣作用。對(duì)于較低的軸電壓，這層潤(rùn)滑油膜仍能發(fā)揮絕緣性能，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓積累到一定數(shù)值并大于軸承油脂的擊穿電壓時(shí)，它們就會(huì)在軸承中產(chǎn)生電弧，沿著與電機(jī)軸承之間阻抗最小的路徑放電（如圖1）。特別是在軸承內(nèi)部滾道與滾動(dòng)體形成金屬性接觸的瞬間，軸電流可達(dá)上百安培，導(dǎo)致軸承滾道產(chǎn)生小的麻點(diǎn)（凹坑）。當(dāng)發(fā)生此情況時(shí)，由于溫度足夠高軸承鋼會(huì)熔化，軸承潤(rùn)滑脂也會(huì)被燒毀。由于極為頻繁的放電，不久整個(gè)軸承滾道布滿的無(wú)數(shù)凹坑會(huì)造成過(guò)多振動(dòng)和噪音。而當(dāng)潤(rùn)滑油中摻入熔化的金屬微粒后，油膜阻值降低又會(huì)加速這個(gè)過(guò)程，軸電流的電解作用使?jié)櫥吞炕＿@兩個(gè)過(guò)程都會(huì)造成油的潤(rùn)滑性能變差，使軸承溫度升高，最終造成軸承電腐蝕失效。

常規(guī)的軸承電腐蝕防護(hù)措施

目前業(yè)內(nèi)發(fā)電機(jī)制造企業(yè)針對(duì)軸承電腐蝕問(wèn)題主要采取以下三種防護(hù)措施：

一、接地碳刷

在變頻器的工模電壓與電機(jī)內(nèi)部寄生電容的共同作用下，轉(zhuǎn)子軸上會(huì)感應(yīng)出高電勢(shì)，通過(guò)在非驅(qū)動(dòng)端加裝接地碳刷使轉(zhuǎn)軸接地，可以消除軸上的感應(yīng)電勢(shì)。但是由于磨損的接地碳刷會(huì)在表面形成氧化膜，增大碳刷與軸之間的接觸電阻，阻礙軸電壓的釋放，因此，需要定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和更換。同時(shí)還需要安裝磨損報(bào)警裝置，以預(yù)防碳刷失效。

二、絕緣軸承

為了阻斷軸電流通過(guò)軸承的路徑，可以在軸承內(nèi)部添加絕緣，例如，在軸承外圈表面通過(guò)等離子噴涂工藝形成陶瓷涂層來(lái)阻斷不高于1000V的電壓。對(duì)于低頻交流電壓，絕緣效果取決于陶瓷層的純電阻值；對(duì)于高頻交流電壓則取決于陶瓷層的容抗值。目前絕緣軸承還屬于特殊應(yīng)用范疇，由于各軸承制造廠家采用的方式不同，絕緣參數(shù)指標(biāo)沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，差異很大，而且絕緣軸承價(jià)格相對(duì)較高。

三、端蓋絕緣

阻斷軸電流的另一種方式是在軸承室與外端蓋之間加裝絕緣，常用的絕緣材料有UPGM203、SMC等。相比于陶瓷涂層，絕緣端蓋因具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、阻燃性、絕緣電阻值和耐電壓強(qiáng)度，更低的電容值、吸水率及翹曲度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。

改進(jìn)的軸承電腐蝕保護(hù)裝置

圖1 軸承油膜擊穿和滾道凹坑

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣原理

圖3 軸承電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值

圖4 改造的接地刷架系統(tǒng)

圖5 安裝保護(hù)裝置后測(cè)量值

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整個(gè)傳動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化電氣原理圖如圖2所示。由于成本原因，大多數(shù)變頻器廠家本身沒(méi)有配備共模電壓濾波器，因此，變頻器產(chǎn)生的高頻共模電壓會(huì)經(jīng)約百米長(zhǎng)電纜放大后加到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上。電機(jī)內(nèi)部寄生電容會(huì)把部分電壓分配到軸承形成軸承電壓，從而腐蝕軸承。軸承電壓特性與所配備變頻器的開(kāi)關(guān)頻率和du/dt息息相關(guān)。所以，控制變頻器的共模電壓是解決軸承腐蝕問(wèn)題的最直接方法，但由于成本較高，目前只能從發(fā)電機(jī)端去解決該問(wèn)題。

市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障率高達(dá)60%以上，統(tǒng)計(jì)的平均故障發(fā)生時(shí)間為2～3年。風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際測(cè)得高頻軸承電壓峰值高達(dá)190V（如圖3），可以得出正是由于這個(gè)高電壓瞬間擊穿潤(rùn)滑油膜形成放電，從而造成軸承腐蝕。

基于對(duì)該型號(hào)電機(jī)軸承絕緣結(jié)構(gòu)、端蓋尺寸和軸承電壓測(cè)試結(jié)果的研究分析，對(duì)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端原有的接地碳刷系統(tǒng)進(jìn)行額外添加一種接地保護(hù)裝置的改造，如圖4所示。該裝置通過(guò)支撐架安裝在軸承室外部，可以將軸承室的高電勢(shì)通過(guò)接地碳刷大大降低，這樣可確保將軸承電壓降低到對(duì)軸承沒(méi)有危害的等級(jí)。同時(shí)該裝置配備碳刷磨損報(bào)警傳感器，一旦碳刷長(zhǎng)度低于限定值，可以及時(shí)提醒用戶更換碳刷。該裝置具有成本較低，同時(shí)易于現(xiàn)場(chǎng)安裝的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)同一臺(tái)發(fā)電機(jī)安裝保護(hù)裝置后重新進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明高頻軸承電壓峰值已經(jīng)降低到對(duì)軸承足夠安全的2V（如圖5）。也就是說(shuō)，通過(guò)該裝置可以有效降低軸承電壓值，從而使軸承免受損傷。

結(jié)論

變頻電機(jī)軸承電腐蝕問(wèn)題一直是電機(jī)行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)也是如此。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)的大批量軸承電腐蝕問(wèn)題，通過(guò)理論分析和風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，提出了一種改進(jìn)的軸承電腐蝕保護(hù)裝置。該裝置能夠大大降低軸承失效的概率，同時(shí)可適用于其他功率等級(jí)的雙饋發(fā)電機(jī)，具有一定的工程和實(shí)用價(jià)值。

攝影：朱小峰