兆瓦级风力发电机轴电压现场测量与分析

叶日新，董明，任明，林海，张崇兴，秦绪华（．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安70049；．国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林长春3000）

兆瓦级风力发电机轴电压现场测量与分析

叶日新1，董明1，任明1，林海2，张崇兴1，秦绪华2
（1．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安710049；2．国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林长春132000）

阐述了风力发电机轴电压产生的原因以及危害。结合兆瓦级风力发电机的现场实际安装，设计了相应的试验测量方案，并实测了轴电压和轴电流波形。采用专业软件对实测波形进行分析，通过比较其有效值、峰峰值以及FFT波形，结果显示出在不同接地方式下轴电压和轴电流存在差异；发电机转轴2侧接地电刷均接地时轴电压最小，电刷均不接地时轴电压最大；且轴电流在1 000 Hz和2 000 Hz处有明显的电流分量。在风力发电机运行期间，保证发电机的总体绝缘状况良好和转轴2侧的接地电刷可靠接地，以确保发电机正常可靠运行。

兆瓦级风力发电机；轴电压；轴电流；接地方式

随着全球能源紧缺，风力发电作为一种采用清洁能源的高新技术在国内外得到了快速的发展[1]。风能作为一种清洁能源，在其转换为电能的过程中，不会对环境造成污染，因此受到国内外的广泛关注[2-5]。目前，国内在建、已投入运行的风电场已近30个，国家制定的2020年风力发电的装机规划目标是2 000~3 000万kW，我国近期主要在装备兆瓦级风力机组，目前已经有了1.5~2.0 MW的风力机组，以满足我国风力发电的需要。但是，风力发电系统在实际安装运行中已出现了大量的故障，影响了风力发电机的运行。据统计，国内某电力公司的300多台风力发电机组，由于各种故障运行实际能够运行的风机只有1/3，而国外很多风电公司在风场的风力发电机组安装运行初期，同样出现了大量的故障，严重影响了设备的运行效率[6-7]。

发电机是整个风力发电机组的核心装置，其安全可靠运行将直接影响到整个机组的稳定和输出电能的质量。由于风力发电机长期工作于风沙、盐蚀等恶劣的气候环境下，当发电机的启动时间过长，运行负载过重，或频繁的启动、制动时，则极易造成严重的电机故障，进而影响到整个风力发电机组系统的正常运行[8]。在风力发电机组正常运行使用期内，由于某些原因引起发电机转轴上产生的电压称为轴电压。当风力发电机存在轴电压时，如没有采取合适的抑制或防护措施，将会在轴承、轴瓦和齿轮等部件产生有害的轴电流，并对这些部件产生损害，严重时还会造成发电机产生故障，引起停机事故，造成巨大的经济损失[9-13]。

本文针对兆瓦级风力发电机的现场实际安装，设计了相应的试验测量方案，对发电机的轴电压和轴电流进行了测量。采用MATLAB软件对所测轴电压和轴电流的波形进行分析，结果显示在不同接地方式下风力发电机的轴电压和轴电流存在差异，且轴电流存在明显的高频交流分量。

1　风力发电机的轴电压和轴电流

1.1轴电压产生机理

当风力发电机运行时，发电机转轴2端或轴与轴承之间产生的电位差称为轴电压。发电机转轴旋转时，只要存在不平衡的磁通交链在转轴上，就会在转轴的2端产生感应电动势[14]，当其达到一定数值时，就会造成油膜击穿，损坏转轴和轴承，影响发电机的正常运行。风力发电机中产生轴电压的原因主要有如下几个方面[15-17]：

1）磁路不平衡。由于风力发电机的结构设计和制造方面的原因，比如定子铁芯材料磁化特性有差异、定子硅钢叠片存在接缝和定子转子气隙不均匀等，造成发电机的磁路存在不平衡的磁阻。在发电机转子旋转时，磁路的不对称引起磁通上分布的不均匀，就会引起多余的交变磁通交链在转轴上，使转轴2端感应出电动势，形成轴电压。

2）单极磁势。由于发电机中电刷装置的换向极、集电环、补偿绕组和串级绕组连接线等形成各种环绕轴的闭合回路，如果结构设计时存在不足，导致它们的磁势不能相互抵消，就会产生一个环绕转轴的剩余磁势，造成转轴磁化。在电枢旋转时，转轴2端就会产生一个感应电势，由于其原理与单极发电机一样，故称为单极磁势。这种原因形成的轴电压在负载恒定时，会随着负荷电流发生变化变化，因此一旦造成油膜击穿，极易烧毁轴瓦。

3）电容电流。发电机的转子绕组嵌入在转子铁芯槽中，由于转子绕组与铁芯之间以及绕组匝间均存在分布电容，当发电机逆变供电运行时，电流中的脉动分量就会在转子绕组与铁芯之间形成电容电流，造成转轴与地之间产生一个电位差。这种轴电压的量值主要是由电源中的脉动分量决定的，往往具有高频分量。

4）静电感应。发电机高速旋转的转轴各部与轴瓦处由于润滑油的摩擦产生静电电荷，当电荷逐渐积累到一定程度后便产生了轴电压。静电电荷产生的轴电压具有间歇性和非同期性，其大小与电机的运转状态密切相关，如静电电荷的积累、电机部件绝缘破损等都会导致轴电压的产生。

1.2轴电流产生机理

轴电流是风力发电机转轴中一种有害的涡流。在正常运行情况下，发电机转轴与轴承之间存在一层油膜，此油膜具有润滑和绝缘的功能。当轴电压较低时，润滑油膜可以起到良好的绝缘作用；但当轴电压由于电机故障等原因升高到一定数值时，特别是在发电机启动时，转轴与轴承之间尚未形成稳定的润滑油膜，轴电压极易击穿油膜形成放电回路，产生相当大的轴电流。整个放电回路基本为电机轴—轴颈—轴承—轴承支架—机组底座。轴电流对发电机的危害主要有如下几个方面[18-20]：

1）轴电流对润滑油膜具有电解作用和加热作用，会对转轴和轴承之间的润滑油膜造成损害，导致润滑油发生碳化，加速油脂劣化，造成油膜润滑功能降低甚至失去，同时还会引起轴承温度升高，使发电机转轴和轴承之间的产生不同程度的损伤情况。

2）由于转轴与轴承之间的金属接触面积很小，当轴电流产生后，轴电流密度会很大，引起轴承局部温度过高，导致轴承内表面出现条状熔蚀伤痕，严重时甚至可能直接烧坏轴颈和轴瓦。

3）轴电流的存在会引起转轴和轴承之间反复放电和灭弧，导致轴承发生熔蚀，被熔蚀的轴承合金在巨大的碾压力作用下从轴承表面飞溅出来，进而在轴承内表面形成密集的熔蚀凹坑。这些蚀点的存在会使轴承内表面变得粗糙，破坏了轴颈与轴瓦的配合，加剧了轴承的损坏，缩短了发电机轴承的使用寿命。

2　轴电压和轴电流的测量方法

2.1轴电压标准测量方法

国家标准规定的轴电压测定方法[21]为：被测试发电机在额定电压、额定转速下空载运行。发电机转轴如图1所示，由于轴电压的频率成分较复杂，测量时必须采用高内阻交流电压表。首先测量发电机转轴两端之间的电压U1，然后将发电机轴瓦与转轴短接，消除转轴2端油膜压降，再测量励磁侧轴瓦与地之间的电压U2。

图1　发电机转轴示意图Fig.1The generator shaft diagram

判断依据：

1）当U1≈U2时，说明绝缘垫绝缘情况良好。

2）当U1>U2时（U2<10%U1），说明绝缘垫绝缘不好，存在轴电流。由于轴电流会在转轴和底座上产生压降，造成U1>U2。

3）当U1

2.2轴电压波形测量方法

对轴电压进行测量时，如图2所示，使发电机处于运行状态，连接线分别接转轴2端，输出经屏蔽电缆接示波记录仪，示波记录仪显示并记录轴电压波形。

图2　轴电压波形测量图Fig.2The measurement of shaft voltage waveform

2.3轴电流波形测量方法

对轴电流进行测量时，如图3所示，使风力发电机转轴2侧的接地电刷有1个或者2个均接地，用罗氏线圈测量流过接地导线的电流就是轴电流，输出接示波记录仪显示并记录轴电流波形。

3　兆瓦级风力发电机轴电压测量实例

3.1试验测量内容

本次试验针对兆瓦级风力发电机的轴电压和轴电流进行测量。如图4所示，在试验测量过程中，采用高压探头LeCroy接发电机转轴2端测量轴电压，罗氏线圈PearsonTM4688和PearsonTM8585C测量轴电流，示波器Tektronix2024B显示并记录波形。同时通过改变转轴2侧接地电刷是否接地，分别测量在四种不同接地方式下的轴电压和轴电流。

图3　轴电流波形测量图Fig.3The measurement of shaft current waveform

图4　风力发电机实际测量图Fig.4The measurement of shaft voltage and current

具体试验测量内容为：

1）现场接线如图4所示。高压探头连接风力发电机转轴两侧测量轴电压；接地导线穿过罗氏线圈测量轴电流。

2）转轴励磁侧和驱动侧的接地电刷均接地，测量轴电压U和流过2侧接地导线的轴电流为I1、I2。

3）转轴励磁侧接地电刷接地、驱动侧接地电刷不接地，测量轴电压U和流过励磁侧接地导线的轴电流I1。

4）转轴驱动侧接地电刷接地、励磁侧接地电刷不接地，测量轴电压U和流过驱动侧接地导线的轴电流I2。

5）转轴励磁侧和驱动侧的接地电刷均不接地，测量轴电压U。

3.2试验测量结果

兆瓦级风力发电机轴电压测量试验中，在不同接地方式下对轴电压和轴电流进行6~7次测量并记录试验波形，如图5所示。

图5　不同接地方式下轴电压和轴电流波形Fig.5The measurement results of shaft voltage and current

4　试验测量结果分析

4.1轴电压和轴电流时域分析

通过MATLAB软件编程对所测轴电压和轴电流波形进行计算分析，得到了在两侧接地电刷均接地、励磁侧接地电刷接地驱动侧不接地、驱动侧接地电刷接地励磁侧不接地和2侧接地电刷均不接地这4种不同接地方式下风力发电机轴电压和轴电流的有效值与峰峰值，如表1所示。

表1　不同接地方式下轴电压、轴电流Tab.1The measurement results of shaft voltage and current under different grounding systems

根据表1的数据做出相应的不同接地方式下轴电压的柱状图，如图6所示。

图6　不同接地方式下轴电压柱状图Fig.6The histogram of shaft voltage under grounding systems

从测量结果可以看出：

1）由于风力发电机转轴两侧接地电刷接地方式的改变，发电机轴电压和轴电流的大小也随之发生变化，同时轴电压和轴电流的有效值和峰峰值均是比较大，且其峰峰值远远大于有效值。

2）在4种不同的接地方式中，当发电机转轴两侧接地电刷均接地时，其轴电压是最小的，但轴电压的有效值仍有2 V，且峰峰值高达40 V；在转轴两侧接地电刷均不接地时，发电机轴电压的有效值和峰峰值均是最大的，分别为20 V和200 V。

3）在两侧接地电刷均接地方式下，由于转轴两侧均与大地相连接，理论上发电机的轴电压测量值应当为零。但在测量中轴电压是存在的，分析主要是由于发电机是架设在80 m的高空中，接地电刷并不能与大地直接相连接，而是经接地导线连接在塔筒壁上，再与大地连接，导致接地电阻过大，因此造成发电机转轴两侧仍有电位差。

4）在发电机驱动侧接地电刷接地、励磁侧不接地方式下，试验测量结果出现反常现象，轴电压和轴电流变为4种方式最小。主要是由于这组数据是在风力发电机轴电压试验中最后一项测量的，测量时发电机的风速和运行功率相对于其他3种接地方

式下较小，造成试验测量结果出现差异。

4.2轴电压和轴电流频域分析

由于风力发电机轴电压和轴电流中含有直流分量、交流分量和高频分量[17]，因此需要对轴电压和轴电流波形进行频谱分析，以确定发电机轴电压和轴电流的主要频率成分量值。在4种不同接地方式下，发电机轴电压和轴电流的频谱特性，如图7—图10所示。

图7　励磁侧、驱动侧均接地下波形频谱特性Fig.7The measurement waveforms FFT under both brushes being grounded

图8　励磁侧接地、驱动侧不接地下波形频谱特性Fig.8The measurement waveforms FFT under only the brush being grounded in shaft excitation side

图9　驱动侧接地、励磁侧不接地下波形频谱特性Fig.9The measurement waveforms FFT under only the brush being grounded in shaft drive side

图10　励磁侧、驱动侧均不接地下波形频谱特性Fig.10The measurement waveforms FFT under neither brushes being grounded

从风力发电机轴电压和轴电流波形可以看出，轴电压波形呈现出无规则状，轴电流波形则是具有一定的周期性。结合两者的频谱特性，发电机的轴电流有较强的高频分量，特别是在频率为1 000 Hz和2 000 Hz的高频电流分量非常明显，而轴电压则在低频分量处特别明显。

5　讨论

本文对在不同接地方式下风力发电机的轴电压和轴电流进行了测量和分析，由于转轴2侧接地电刷接地方式的改变，造成了发电机轴电压和轴电流也发生了变化。但在试验过程中风力发电机在驱动侧接地电刷接地、励磁侧不接地方式下测量结果出现了反常现象，主要是因为发电机轴电压和轴电流的大小不仅与接地方式有关，还受到风速和发电机输出功率的影响，同时不同的风力发电机之间也存在差异，因而造成测量结果的反常现象。

随着风速的变大，风力发电机的输出功率也增大，这会直接影响到发电机轴电压和轴电流，因此为进一步研究风力发电机轴电压和轴电流，应当测量发电机在不同风速和输出功率下的轴电压和轴电流，建立轴电压和轴电流与风速和发电机输出功率之间的关系。同时不同的风力发电机轴电压和轴电流也存在差异，为获取更加准确的测量结果，需在多台风力发电机上进行试验测量并进行分析。

6　结语

在兆瓦级风力发电机轴电压测量试验中，通过对在不同接地方式下发电机的轴电压和轴电流进行测量，可以看出在转轴2侧接地电刷均接地下，发电机的轴电压和轴电流为4种方式中最小，但轴电压和轴电流仍是比较大的，足以对发电机的轴承造成严重危害。当转轴2侧接地电刷只有一个正常接地时，轴电压和轴电流明显增大；当2侧均不接地时，轴电压迅速上升，远远超过了转轴2侧正常接地时的轴电压值。

在风力发电机正常运行过程中，存在轴电压和轴电流，这会对发电机轴承和运行状况产生极大的危害。当转轴2侧的接地电刷接地故障时，发电机的轴电压和轴电流会增大，且轴电压的峰峰值会达到几百伏，这严重威胁了发电机的运行状态，且极大影响了电能的质量，甚至可能造成发电机故障，导致停机检修。因此，在风力发电机运行期间，应对风力发电机进行定期的检修和维护，保证发电机的总体绝缘状况良好和转轴2侧的接地电刷可靠接地等，确保发电机正常可靠运行。

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（编辑董小兵）

Measurement and Analysis on Shaft Voltage of Megawatt Wind Generation

YE Rixin1，DONG Ming1，REN Ming1，LIN Hai2，ZHANG Chongxing1，QIN Xuhua2
（1.State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China；2.State Grid Jilin Electric Power Research Institute，Changchun 132000，Jilin，China）

In this paper，the cause and damage of the shaft voltage in wind generation is expounded firstly.Based on the actual installation of the megawatt wind generating units，the experimental measurement method is accordingly designed，and the waveforms of the shaft voltage and current are acquired. Meanwhile，the measured waveforms，including their virtual value，peak-peak values and FFT transforms are analyzed by using MATLAB.It is found that that the shaft voltage and current have larger difference in the variation of grounding systems，the shaft voltage is the smallest when both brushes are grounded and is the largest when neither brushes are grounded，the shaft current have larger current components at the 1 000 Hz and 2 000 Hz.In a word，ensuring that the overall insulation of the wind generator is in good order and both bushes at the both sides of the rotating shaft are reliably grounded are crucial to the reliable operation of the wind generation system.

megawatt wind generation；shaft voltage；shaft current；grounding system；measurement method

1674-3814（2015）06-0097-07

TM935

A

国家自然科学基金资助项目（50907051）。

Project Supported by the National Natural Science Funds（50907051）.

2014-12-26。

叶日新（1992—），男，工学硕士，主要从事电力设备在线监测与故障诊断；

董明（1977—），男，博士（后），副教授，主要从事电力设备检测与故障诊断技术教学及研究。