風(fēng)力發(fā)電機軸電流抑制探討

李志剛

（國華（河北）新能源有限公司，河北張家口 076650）

0 引言

中國新能源戰(zhàn)略開始將大力發(fā)展風(fēng)能源作為重點。風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展具有十分廣闊的前景。未來，風(fēng)力發(fā)電必將保持高速發(fā)展的態(tài)勢，其盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟而快速提升。目前階段的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r，其性價比正在或即將形成與火電、水電的競爭優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：發(fā)電能力每增加1倍，發(fā)電成本就下降約15%左右。隨著中國國產(chǎn)化風(fēng)電裝機的增加和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷革新，風(fēng)力發(fā)電的成本會逐步下降。

風(fēng)電的迅猛發(fā)展使得機組大部件故障處理成為一個難題。某區(qū)域風(fēng)電場共安裝SL1500機組106臺，于2010年8月并網(wǎng)發(fā)電。SL1500風(fēng)電機組發(fā)電機故障一直是該機組常見的重大故障，現(xiàn)象為轉(zhuǎn)子振動較大進而出現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸與轉(zhuǎn)子鐵芯滑動、轉(zhuǎn)子斷相等故障。初步分析主要原因為發(fā)電機軸電流過大導(dǎo)致的發(fā)電機軸承失效，軸承失效后發(fā)電機振動加大，逐步出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯松動，發(fā)電機繞組開裂、斷相。

發(fā)電機軸承問題是SL1500系列風(fēng)力發(fā)電機組電氣方面最為突出的一個問題，而軸電流是導(dǎo)致發(fā)電機軸承損壞的主要原因。由于發(fā)電機定子鐵芯組裝工程中形成的合縫、定子硅鋼片安裝形成的合縫、定子與轉(zhuǎn)子之間空氣間隙不均勻等，在發(fā)電機正常運行期間就會造成發(fā)電機的磁路往往不對稱，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸在這種不對稱的磁場中旋轉(zhuǎn)，就會形成軸電流、軸電壓。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子和軸承、大地所構(gòu)成的回路阻抗很小，軸電流密度超過0.2 A/cm2，就可能形成很大的軸電流，會對軸承造成擊穿放電和電擊侵蝕[1]，同時使軸承的潤滑油脂加速劣化、油膜層被破壞、軸承失效。軸承失效后導(dǎo)致發(fā)電機振動變大、發(fā)電機轉(zhuǎn)子環(huán)斷裂，振動持續(xù)增大更會導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸與鐵芯松動，進一步擴大隱患，導(dǎo)致事故發(fā)生。為避免事故發(fā)生，本文研究和探討防止軸電壓、軸電流的危害，探索研究將發(fā)電機軸承前、后端蓋進行絕緣處理，驅(qū)動端加裝接地裝置，采用該種方法能夠有效解決發(fā)電機軸電流問題，很大程度提高風(fēng)機的可利用率。

收集整理尚義地區(qū)風(fēng)電場的SL1500風(fēng)電機組歷史運行數(shù)據(jù)進行分析，查看發(fā)電機運行的溫度變化曲線，幾乎所有的軸承故障在現(xiàn)場均表現(xiàn)為發(fā)電機振動大、噪聲大。部分機組因軸電流加大，出現(xiàn)發(fā)電機前后軸承保護罩間弱的放電現(xiàn)象。在維修過程中，發(fā)電機解體后細微檢查發(fā)電機電氣狀況，可以直觀發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸承損壞體現(xiàn)為軸承內(nèi)圈外滾道有搓衣板紋、軸承外圈內(nèi)部滾道上有搓衣板紋，有時軸承內(nèi)外圈之間及滾球本體上有內(nèi)表面發(fā)黑、掉屑現(xiàn)象，發(fā)電機軸承內(nèi)外滾動體表面形成了許多微小密集的點坑，軸承滾動體表面呈現(xiàn)黑色狀，這完全符合軸承電腐蝕的特征。

1 風(fēng)力發(fā)電機軸電流的形成及軸承損壞的細微分析

1.1 油脂的積累老化對軸承的影響

依據(jù)現(xiàn)行的風(fēng)力發(fā)電機的維護標(biāo)準(zhǔn)，每6個月進行1次軸承潤滑維護，只是注入少量、定量的潤滑脂，軸承內(nèi)舊的潤滑脂只靠軸承的自行運轉(zhuǎn)來擠出，收集在集油槽中。這樣，廢舊油脂會有很大部分殘留在軸承內(nèi)，時間長會形成酸性物質(zhì)對軸承造成一定的腐蝕。同時酸性物質(zhì)會更容易積累電荷形成電勢，甚至在繞組輸入端接近端口部分使電勢高度集中，或大或小的電勢以軸電流的形式作用在軸承上，長時間頻繁發(fā)生會對軸承形成損傷，這也是軸承失效的一個重要原因。

1.2 磁力的作用使軸承面發(fā)生老化

風(fēng)力發(fā)電機組多使用雙饋異步發(fā)電機，在發(fā)電機正常運行時，發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子處在正弦交變磁場中。由于發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子扇形沖片和硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽通風(fēng)孔等的存在，定轉(zhuǎn)子扇形沖壓片疊裝后接縫的不對稱性、硅鋼片碾壓方向不同造成導(dǎo)磁率的不同、鐵心槽和通風(fēng)孔的存在以及安裝的工藝使磁通不平衡等原因，這種不平衡產(chǎn)生不平衡的磁阻和不平衡的磁力，逐漸地浸蝕軸承主體表面的材質(zhì)，在長期的發(fā)熱、磁力、振動等多種因素的作用下使發(fā)電機的軸承內(nèi)外面發(fā)生變化，日積月累形成類似于老化的材質(zhì)變化。在軸承的運行前期，軸電流也許會很小，但隨著軸承的磁化，尤其集中在軸承的內(nèi)外表面，軸電流就會變大。當(dāng)軸電流變大就會進一步地加重軸承的劣化，形成惡性循環(huán)地加速軸承損壞的過程[2]。

1.3 發(fā)電機對中工藝對軸承的影響

風(fēng)力發(fā)電機在正常運行過程中，發(fā)電機的輸入軸與齒輪箱的輸出軸應(yīng)該在1條直線，現(xiàn)行的維護標(biāo)準(zhǔn)也是每1年進行1次校準(zhǔn)，但依照風(fēng)電設(shè)備多、對中校準(zhǔn)對天氣的要求高這些特點，風(fēng)電場在計劃性工作周期內(nèi)要全面完成所有任務(wù)，人員、校正設(shè)備等多重因素綜合決定了對中結(jié)果的差異性，在校正發(fā)電機位置發(fā)生偏差時會影響發(fā)電機軸承的使用壽命，主要明顯地體現(xiàn)在軸承損壞的后期發(fā)展階段，對中工藝的不到位對軸承損壞起到推波助瀾的作用。

1.4 發(fā)電機前后端蓋的絕緣性影響

過去幾年，1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機的前后端蓋大部分是非絕緣端蓋。為了消除軸電流對軸承的腐蝕作用，使用的軸承為絕緣軸承，絕緣軸承的絕緣層易損，油脂老化后形成酸性物質(zhì)包圍在軸承的四圍，使得軸承的絕緣性能下降。從發(fā)電機軸到軸承外圈的絕緣層較薄，雖然可起到一定的絕緣作用，但不能很好地全面杜絕軸電流。當(dāng)發(fā)電機端蓋是絕緣端蓋時，不僅增大絕緣距離，而且?guī)缀醪皇苡椭治g，油脂老化后形成的酸性物質(zhì)腐蝕不到發(fā)電機端蓋絕緣部位，在一定程度上很好地起到絕緣作用。

2 抑制雙饋發(fā)電機軸電流的方法

風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機軸承采用油脂潤滑，發(fā)電機軸束縛在軸承內(nèi)圈，軸承沉在潤滑脂內(nèi)。正常情況下，軸承內(nèi)圈與軸承外圈間的潤滑油膜起到絕緣作用。對于發(fā)電機產(chǎn)生的較低軸電壓，因油脂絕緣作用不會產(chǎn)生軸電流。當(dāng)發(fā)電機軸電壓增加到一定數(shù)值時，尤其在風(fēng)力發(fā)電機停機再啟動時，潤滑油膜還未充分形成，軸電壓將放電擊穿油膜后與大地構(gòu)成回路，產(chǎn)生很大的泄漏軸電流，有時可達到幾百安甚至上千安。由于軸承滾球金屬凸面接觸面很小，電流密度相對較大，使軸承局部點狀燒熔，被燒熔的軸承表面合金在輾軋力的作用下飛濺，于是在軸承內(nèi)表面上形成小凹坑（俗稱搓衣板紋）。通常表現(xiàn)出的明顯癥狀是軸承外圈內(nèi)表面、軸承內(nèi)圈外表面及保持架上被壓出條狀電弧傷痕，嚴(yán)重時足以把軸頸和軸瓦損壞。由于軸承運行時會因摩擦在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生靜電荷，轉(zhuǎn)軸因被靜電荷充電使電位升高。當(dāng)運行的轉(zhuǎn)軸接觸到旋轉(zhuǎn)體以外的任何部件時，便要通過該部件對地進行放電，否則就要繼續(xù)積累靜電荷，最后產(chǎn)生過高的軸電壓。如果軸電壓超出軸承油膜的絕緣強度，積累的電荷就會在極短的時間內(nèi)放電。這種現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，就是軸承受到損傷的主要原因。在軸承研究領(lǐng)域的許多分析，軸承廠家曾針對上述問題進行過詳細的分析與判斷，搓衣板紋的產(chǎn)生主要由高頻諧波產(chǎn)生的軸電壓擊穿軸承內(nèi)表面絕緣鍍層，頻繁的瞬間對地進行極具放電所導(dǎo)致，該類問題是雙饋異步發(fā)電機共同存在的典型問題之一。為此，多家公司設(shè)計并推薦使用陶瓷球軸承，但因為成本過高導(dǎo)致該設(shè)計一直沒能大范圍推廣[3]。另外，軸承滾道剝落、軸承保持架斷裂等問題，分別是由于潤滑不足、發(fā)電機對中不符合要求、轉(zhuǎn)子平衡精度不夠、軸承安裝時不規(guī)范等諸多因素導(dǎo)致，將會大大縮短風(fēng)力發(fā)電機軸承的使用壽命。

某區(qū)域風(fēng)電場在經(jīng)多方論證，結(jié)合多方建議的情況下，針對上述發(fā)電機軸電流治理辦法，提出了可行性軸電流治理方法。首先，從軸電流的疏導(dǎo)上開通更好的泄流回路，結(jié)合發(fā)電機外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取發(fā)電機多點接地的形式，及時疏導(dǎo)發(fā)電機軸電流；其次，從設(shè)計中提升定轉(zhuǎn)子間絕緣等級，達到甚至優(yōu)于陶瓷球軸承的效果。在檢查確認發(fā)電機滑環(huán)室內(nèi)接地連接可靠的前提下，在發(fā)電機輸入端增加接地辦法，從而提升接地可靠性[4]。絕緣端蓋的技改方案是在接地疏導(dǎo)軸電流的同時，從技術(shù)上和設(shè)計上將設(shè)備絕緣點轉(zhuǎn)移，不再和油脂的儲存點進行交叉，進一步提升絕緣等級和可靠性。一般在后期改造中，發(fā)電機絕緣端蓋實現(xiàn)整體耐交流電壓不低于4 000 V/1 min。

3 發(fā)電機軸承、端蓋更換技術(shù)要求

絕緣端蓋形式須為絕緣體嵌入式，絕緣端蓋的機械強度滿足所承受的壓力，不會造成破裂而導(dǎo)致絕緣失效，同時保證各安裝孔位的精度。絕緣端蓋絕緣等級達到H級，同時有國家風(fēng)電領(lǐng)域權(quán)威機構(gòu)的檢驗報告。絕緣端蓋的機械強度、精度、絕緣等級等各項技術(shù)要求須出具合格的檢驗報告，各項試驗數(shù)據(jù)要具有中國風(fēng)電產(chǎn)品認證資質(zhì)的鑒定確認。發(fā)電機軸承更換需使用專業(yè)且合格的工器具，發(fā)電機軸承更換過程中注意保持作業(yè)現(xiàn)場衛(wèi)生清潔，做好廢油脂的清理回收，工器具擺放合理，作業(yè)人員安全防護用品合格齊備，同時做好人員正確的安全防護。拆除發(fā)電機聯(lián)軸器、電纜保護軟管、軸承PT100、自動注油管、手動注油管、廢油脂收集槽、蓋板、排風(fēng)道、集電環(huán)、編碼器等相關(guān)附件時應(yīng)做好相應(yīng)的保護，小心放置，避免磕碰，防止損傷、丟失相關(guān)拆卸的附件。使用阻燃型環(huán)保清洗劑清洗風(fēng)扇擋圈、風(fēng)扇罩、鎖緊用圓螺母及墊圈、外密封環(huán)、軸承外蓋、端蓋、軸承內(nèi)蓋、內(nèi)密封環(huán)等相關(guān)附件，保證附件清潔。使用工裝拆卸密封環(huán)、軸承時必須清理轉(zhuǎn)軸配合面，確保轉(zhuǎn)軸配合表面干凈無雜質(zhì)，避免發(fā)電機主軸拉傷。在拆卸發(fā)電機軸承過程中注意保護軸承室、軸承內(nèi)外圈部位不得碰傷。裝配新軸承工作人員的手套必須保持清潔，避免污染軸承及其潤滑油。新軸承裝配后須注入適量新油脂，軸承安裝方向應(yīng)正確。軸承安裝過程中因使用方法的不同會產(chǎn)生一定的過盈量，在風(fēng)機塔上檢修時最好采用油浸式加熱或感應(yīng)器加熱軸承方法來安裝，加熱溫度范圍一般為均勻受熱80～100℃為宜；當(dāng)使用油浸式加熱時，油溫最高不能超過120℃。發(fā)電機端蓋安裝方向與拆卸前一致。螺栓需重新涂抹適量鎖固劑，對稱交錯緊固，緊固力矩，畫緊固標(biāo)記。發(fā)電機內(nèi)部嚴(yán)禁遺落工器具、雜物，安裝所有外部連接線路（包括轉(zhuǎn)子接線盒、編碼器）及發(fā)電機相關(guān)附件時在發(fā)電機轉(zhuǎn)子接線盒及集電環(huán)室嚴(yán)禁遺落工器具、雜物等。作業(yè)結(jié)束后檢查發(fā)電機運行是否正常。

4 接地裝置安裝技術(shù)要求

在發(fā)電機接地碳刷的選用上，最好使用知名品牌碳刷，規(guī)格40 mm×20 mm×100 mm。刷握端面與接地環(huán)之間的間隙滿足規(guī)定2～3 mm要求；安裝電刷與刷握間隙滿足規(guī)定0.1～0.3 mm要求；接地環(huán)材質(zhì)使用201不銹鋼材質(zhì)。接地電刷與接地環(huán)接觸可靠，接觸面積不低于80%，接地支架固定在徑向端蓋絕緣層的外側(cè)。安裝接地碳刷刷架及其線路，將接地碳刷監(jiān)測信號接入原發(fā)電機碳刷監(jiān)測回路中。安裝完畢后觸發(fā)碳刷監(jiān)測微動開關(guān)，測試反饋信號正確輸入[5]。

5 發(fā)電機對中校核

在前述更換安裝工作完成后進行發(fā)電機的對中工作。首先，所使用對中儀器合格，具有出廠精度檢驗合格證明或年度檢驗合格證明。其次，對中過程中需至少3人進行，風(fēng)速超過6m/s，不得進行發(fā)電機對中工作。確認葉片處于順槳狀態(tài)，測試能否手動盤車。用200～800 N·m力矩扳手將力矩值調(diào)至800 N·m，緊固發(fā)電機4個地角螺栓；用60～200 N·m力矩扳手將力矩值調(diào)至190 N·m，緊固發(fā)電機減震塊（彈性支撐）上的螺栓。水平、垂直對中精度達到位移偏差小于0.5 mm，角度偏差小于0.02/100。

6 結(jié)束語

發(fā)電機屬于風(fēng)力發(fā)電機組的重要組成部分，發(fā)電機的性能直接決定風(fēng)力發(fā)電機組的使用效率和使用壽命，發(fā)電機的故障率嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機組的可利用率，同時關(guān)系到風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。因此，發(fā)電機組的技改治理對風(fēng)力發(fā)電機組具有重要的影響。通過以上介紹的方法按照工藝要求，綜合對風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機進行技術(shù)處理后，發(fā)電機的軸電流會被抑制，變得很小或微乎其微，對發(fā)電機軸電流的產(chǎn)生起到明顯的抑制作用，且對發(fā)電機不構(gòu)成危害。某區(qū)域風(fēng)電場在2016年通過該種方法對風(fēng)電場內(nèi)60臺發(fā)電機進行技改，通過近3年的現(xiàn)場實踐證明，該種技改方法切實可行，對風(fēng)電機軸電流的防范效果好。經(jīng)過以上方法處理后的風(fēng)力發(fā)電機組，故障次數(shù)明顯減少，機組發(fā)生故障時間明顯縮短，實際可利用小時提升100 h左右，節(jié)約了很大的生產(chǎn)成本和人工成本，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

因此，現(xiàn)場檢修員工對發(fā)電機進行技術(shù)改造的前提是對發(fā)電機結(jié)構(gòu)進行嚴(yán)謹?shù)乜茖W(xué)研究，對現(xiàn)場設(shè)備的實際運行數(shù)據(jù)及實際運行特征進行分析。只有充分掌握發(fā)電機的運行特點，充分分析故障原因，才能得出安全適用、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進的技術(shù)改造方法，使發(fā)電機的技術(shù)改造產(chǎn)生真正的效果。