1、風力發電機軸電壓軸電流對軸承影響及防范措施摘要：風力發電機軸承失效頻繁發生,在研究應用條件和調查軸承失效的基礎上,基本確認了造成軸承失效的根本原因:雙饋感應發電機變頻驅動所導致的軸承過電流和相應的電腐蝕及潤滑、磨損等。本文概述分析了軸電壓軸電流產生的原理和造成的危害，詳述了對軸電壓的抑制措施，并在風電場推廣應用，實踐驗證了軸電流抑制技術的有效性。關鍵詞：風力發電；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風電場，裝有56臺華銳SL1500機組，于2015年1月并網發電，在運行的2年中由于發電機軸承的損壞給機組正常運行產生了嚴重的影響，造成一定的經濟損失。經統計2013年共計更換發電機驅動側軸承19次，年損壞率達28%，更換非驅動側軸承22次，年損壞率達33%，造成直接和間接經濟損失近百萬元，因此，研究發電機軸承的損壞原因并提出改進措施顯得尤為重要。二、研究目的通過對機組發電機軸承損壞的原因進行多方位分析，主要針對軸電壓軸電流的產生及對軸承的影響進行分析，提出改善

5、方案，并進行測試驗證，保證發電機軸承穩定運行，延長軸承使用壽命。三、發電機軸承損壞原因分析與防范措施1. 潤滑滾動軸承穩定運行達到運行壽命的一個重要條件就是有足夠的潤滑。潤滑劑的作用就是形成保護性油膜,分隔滾動接觸表面,防止金屬與金屬的直接接觸。潤滑劑還應有保護相應部件不受腐蝕的作用。風力發電機一般選用潤滑脂作為軸承潤滑劑，如果潤滑不足會導致軸承磨損，長時間會使軸承失效，發電機產生振動。2. 發電機與齒輪箱軸不對中發電機與齒輪箱軸不對中會誘發同步軸振動，雖然聯軸器會吸收一定的振動，但是大負荷長時間的振動會使發電機軸承游隙變大，長期運行不僅損壞發電機軸承，對齒輪箱軸承也會有損傷，造成機組的振動過

6、大，影響機組正常運行。3. 軸承安裝工藝與材質問題軸承在運輸或安裝過程中有較大硬力的碰撞，導致軸承部分受損，長時間運行磨損嚴重，軸承失效。4. 電腐蝕電流流過軸承的問題十分常見,這種現象就是所謂的電腐蝕。軸承電腐蝕通常發生在電流經由滾動體從一個滾道流到另一個滾道的時候。電蝕對軸承的破壞程度取決于放電能量和持續時間,但破壞效果基本相似,包括:滾動體和滾道上的微小電蝕凹坑、潤滑迅速退化、失效第二階段的搓板紋及相應的軸承失效等。為解決華銳機組軸承的頻繁失效，我風電場采取了一系列措施。檢修人員專人跟蹤定期檢查發電機自動加脂機運行情況，并且定期手動給軸承注油，保證軸承的良好潤滑；加大軸對中檢查的頻率，保

7、證對中精確度；在更換軸承時有嚴謹的更換方案，避免軸承內進入臟污和軸承的磕碰等機械損傷。運行人員時時記錄發電機前后軸承溫度變化，發現異常及時通知檢修人員登機檢查。最大限度的排除了潤滑、安裝工藝、軸對中等原因在內的可控因素，經過一段時間觀察，仍有軸承振動報警，對更換后的軸承檢查發現90%都是由電蝕造成的搓衣板紋傷痕，也就是說軸電壓和軸電流是軸承的損傷主要，四、軸電壓軸電流的產生及危害1、軸電壓軸電流產生原因由于風電機組變頻器采用PWM的調制方式，功率器件在快速開關時刻不可避免地產生電壓尖峰，該尖峰的電壓變化率（dv/dt）極高，可超過3000V/S，該尖峰電壓對應的頻率約為1MHz，可以輕易地通過

8、傳動系統的寄生電容、寄生電感耦合至電機的軸，再傳導（或通過絕緣層容性耦合）至軸承的內圈，擊穿油膜后傳導至軸承外圈，外圈通過傳導（或通過容性耦合）與地形成回路，產生高頻軸承電流。2. 軸電壓軸電流的危害（1）損壞潤滑油的潤滑性能潤滑油在軸承旋轉過程中會產生油膜，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、電機的轉速及油脂的溫度等因素決定。風電機組在高空擺動情況下將造成軸承油膜不穩定，一旦Cb上的電壓高于油膜能承受的電壓時，油膜被擊穿，我風場華銳機組發電機軸承潤滑脂選用的是殼牌AlbidaEMS2潤滑油脂，其油膜擊穿電壓在200V左右

9、。油膜在被擊穿的同時，潤滑油被電解，導致潤滑油性能下降。且在對新舊軸承的內圈對外圈的絕緣測試發現，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不可逆的過程。所以潤滑油一旦被擊穿，潤滑油性能已經開始下降了，從而造成軸承長期潤滑不良，加快磨損。圖4.1（1）對軸承造成電腐蝕在潤滑油膜被擊穿后，Cb內存儲的電荷通過極小的擊穿點導通放電，在軸承滾道表面微小的金屬面上產生極高的電流密度,瞬間產生極高的熱量使放電點的金屬熔化，形成凹坑。隨著風電機組運行時間的不斷增加，由于高頻軸電壓擊穿油膜放電而持續形成的軸承表面凹坑不斷增多，破壞軸承內圈、滾動體、外圈的光潔度，逐漸積

10、累形成了滾動體表面肉眼可見的搓衣板紋如圖（4.2）,最終導致軸承由于游隙過大、振動過大、溫升過高等因素失效。圖4.2五、改進措施針對軸電壓軸電流，我們提出的改進措施就是在發電機驅動軸端安裝接地碳刷。因為原來的發電機軸只有在非驅動側安裝接地碳刷，一組接地碳刷其導流性較弱，且在風機運行過程中可能因為震動使接地碳刷與軸接觸不實，如果此種情況發生會使發電機軸無接地運行，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，減少轉軸上的電荷積累量，有效的將軸電流分散導入接地端，避免發電機軸因與接地碳刷接觸不實無接地運行。具體方法如下：在發電機驅動端軸上固定表面光滑的接地環，使其與發電

11、機軸緊密接觸且牢靠。2在發電機驅動軸端蓋上安裝接地刷架，并將碳刷報警接線串聯到定子接線盒中的集電環碳刷報警回路中，如圖（5.1）所示:圖5.13將接地刷架的接地線圍繞電機引到非驅動端，如圖（5.2）所示:圖5.24將接地線接到非驅動端集電環地環地線上通過轉子接線盒導出，如圖（5.3）所示:圖5.3六、數據測量及分析1、測量前準備工作拆開聯軸器罩殼、發電機集電環室罩殼，將驅動側和非驅動側接地碳刷及接線均拆下；2、測量無接地時軸電壓將自制測試碳刷安裝到發電機的非驅動側（碳刷與軸接觸良好），引出導線，將萬用表調到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆接地，啟機運行，通過調整葉片角度調整風機負荷，

12、分別在300kw、500kw、800kw負荷時測量軸電流并記錄數據，如圖（6.1）；圖6.13、測量軸非驅動端接地時的軸電流將自制測試碳刷分別安裝到發電機的非驅動側如圖（6.2）、驅動側如圖（6.3）,引出導線,將萬用表調到交流電流檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆對可靠接地，啟機運行，通過調整葉片角度調整風機負荷，分別在300kw、500kw、800kw負荷時測量軸電流并記錄數據;目11圖6.3圖6.24、測量軸有一端接地時的軸電壓（1）將機組原接地碳刷安裝到發電機的非驅動端，并在接地碳刷上引出導線，將萬用表調到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆可靠接地，啟機運行，通過調整葉片角度調

13、整風機負荷，在300kw、500kw、800kw負荷時分別測量非驅動端如圖（6.4）軸電壓并記錄數據；（2）將機組原接地碳刷安裝到發電機的非驅動端，在軸的驅動端安裝自制測試碳刷并引出導線，將萬用表調到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆可靠接地，啟機運行,通過調整葉片角度調整風機負荷，在300kw、500kw、800kw負荷時分別測量驅動端如圖（6.5）軸電壓并記錄數據；圖6.5圖6.45、測量軸兩端接地時的軸電流：將機組原接地碳刷分別安裝到發電機的非驅動端、驅動端,在軸的另一側安裝自制測試碳刷并引出導線，將萬用表調到交流電流檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆對可靠接地，啟機運行，通過調

14、整葉片角度調整風機負荷，在300kw、500kw、800kw負荷時分別測量非驅動端如圖（6.6）與驅動端如圖（6.7）軸電流并記錄數據；圖6.6圖6.76、測量軸兩端接地時的軸電壓：將機組原接地碳刷安裝到發電機的驅動端與非驅動端，分別在驅動端與非驅動端引出導線，將萬用表調到交流電壓檔，一支表筆接碳刷引出線，一支表筆對可靠接地，啟機運行，通過調整葉片角度調整風機負荷，在300kw、500kw、800kw負荷時分別測量非驅動端如圖（6.8）與驅動端如圖（6.9）軸電壓并記錄數據；HEF?tIffffJF*©圖6.8圖6.97、選取15臺不同條件的機組進行試驗，其中5臺機組更換過發電機兩端

15、軸承振動趨勢平穩，5臺更換過發電機兩端軸承但振動趨勢有上升機組，5臺未更換過發電機軸承的機組，按照以上方法測量技改前后的數據，詳見表6.1：華銳風機軸電流測量數據記錄風機編號負荷(kw)軸無接地時電壓（V）技改前（非驅動端接地）技改后（兩端全部接地）驅動端非驅動端驅動端非驅動端電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）電壓（V）更換軸承后運行平穩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更換軸承后振動有增長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趨勢未更換過軸承表6.1七、改進措施后的可行性分析1、采集數據分析根據測量數據對比分析可以明顯看出，雖然機組的發電機軸承運行狀態不同，但是發電機軸有一組接地碳刷比無接地碳刷時的軸電壓減小了100多倍，而兩組接地碳刷發電機軸電壓為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，但是通過技改后能夠很好的抑制了軸電壓軸電流的對軸承的損壞。具體分析如下：（1）分別取不同負荷測得數據的平均值，驅動端測量軸電流在技改前和技改后的對比如XXXX風電場圖（7.1）所示:圖7.1（2）驅動端軸電壓在技改前為2V左右，技改后為0V：（3）非驅動端測得的軸電流技改前后的數據對比如圖（7.2）所示:非嶇動端軸電流測量丁皆閉381街SL35HiK3521L3KC4332垃35i-S381立353053313&盤H3E£5SC33333735圖7.2（4）非驅動端測得的軸電壓技改前后皆為ov：2、振動監測分析結合振動監測，經過近

21、3個月的觀察后發現，雖然所選的機組軸承狀態不同，但是技改后的機組發電機振動趨勢都比較平穩，沒有上升趨勢，說明新更換的軸承沒有損壞跡象或者已經損壞的軸承損壞程度沒有進一步惡化，具體分析如下：（1）39104號風機，于2013年11月份更換發電機兩端軸承，同時進行了發電機接地技改，通過振動檢測實時觀察，技改之后軸承運行良好，趨勢處于平穩狀態，趨勢如圖7.3）所示：圖（7.3）（2）39102號風機，于2013年5月更換的發電機前后軸承，更換后軸承在運行大概半年后出現振動上升的趨勢，技改后振動趨勢趨于平穩，如圖（7.4）所示:圖7.4（3）39405號風機，并網運行后至今未更換過發電機軸承，其振動檢

22、測趨勢有明顯增長趨勢，技改后其增長趨勢得到抑制，如圖（7.5）所示:圖7.53、與其他機型軸電壓軸電流對比我風電場有部分東汽FD82B型機組，此型號機組發電機軸承驅動側，與非驅動側皆有接地碳刷。與華銳SL1500機組同時并網運行，但在運行過程中年損壞率較低，驅動側年損壞率為3.2，非驅動側年損壞率為3.0。在用上述方法對東汽機組抽樣測量后結果如表（7.1）。東汽風機軸電流測量數據記錄風機編號負荷（kw）軸無接地時電壓（V）技改前（一端接地）技改后（兩端全部接地）驅動端非驅動端驅動端非驅動端電流（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由以上數據不難發現，東汽機組的發