关于双馈异步发电机组因高频轴电压导致轴承损坏分析

陈俊清

【摘 要】双馈异步风电机组是目前最成熟的机型，各大风机厂商生产机组大都已双馈机型为主，因为双馈机型较永磁直驱风力发电机组有结构和技术上的优势，永磁直驱机组因发电机尺寸随容量增加会成倍加大，对制造工艺及设备安装、运输、运行都提出了很高的要求，在各大风机厂商对单台容量陆续扩容的前提下，双馈机组必然是发展趋势。但双馈机组因先天高频轴电压对发电机及齿轮箱轴承的影响，制约了双馈异步发电机组的进一步发展。双馈机组向大容量、高技术方向发展，高频轴电压必须得到有效解决。

【关键词】双馈异步风电机组；轴电压；接地装置

0 前言

双馈异步发电机组因先天特性，运行过程中会产生高频轴电压，高频轴电压传导会造成发电机组轴承失效损坏，有效抑制高频轴电压是双馈异步发电机组向大容量发展的必由之路。

1 双馈异步风力发电机组并网工作原理

1.1 双馈异步风力发电机并网条件

当风速达到风电机设定切入风速后，风电机系统自检无异常的情况下，PLC发送指令使叶片变桨，在叶片受力面积逐渐加大的前提下，发电机转速也在相应的提高，当转子速度达到并网额定转速时，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，使其与电网的频率、电压、幅值和相位保持相同。在此前提下风电机的主开关闭合，风电机并网发电。

1.2 双馈异步风力发电机组工作状态

双馈异步风力发电机的定子通过主开关直接和电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，双馈异步风力发电机组可以在不同的转速下经过变频器的调节实现恒频发电，能够满足在不同转速下的恒频发电是因为双馈异步风电机允许有额定转速30%的滑差范围，也就是风电机的转速能够在1000～1800rpm范围内运行。当发电机转子以低于发电机同步转速的速度旋转（即小于1500rpm），这个范围代表一个轻负载范围，定子提供全部的电能，电能中的一部分通过变频器送到转子，以补偿转子滑差，该工作状态为次同步状态；当发电机转子以同步转速旋转（即等于1500rpm），大约80%的系统额定输出由定子提供给电网。在一定程度上讲，同步运行方式是一种特殊情况，在这种情况下转子提供直流电，此时发电机为同步电机；当转子转速超过同步转速时（即大于1500rpm），转子通过变频器也可以向电网传送能量。从发电机转子送出能量以减少相对于发电机同步转速的转子磁场多余的速度，此时发电机工作在超同步状态。

2 双馈异步风力发电机组轴承损坏原因探析

2.1 双馈异步风电机组变频器特点

双馈异步风力发电机组普遍采用PMW（脉冲宽度调制）变频器，该变频器采用交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整成直流，经过中间电容环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。异步电机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须随频率变化，即保持压频比保持恒定。因此双馈异步风力发电机组在传动系统上会产生轴电压。

2.2 轴电压危害

轴电压传导至双馈异步发电机，可以导致发电机轴承油膜放电击穿，使发电机轴承产生搓衣板纹，造成发电机组振动加大和轴承逐步失效；轴电压向前通过联轴器传到齿轮箱使轴承发生电腐蚀，最终导致齿轮箱轴承失效；轴电压向后传导使发电机转速编码器损坏。对该危害必须采取抑制措施，防止对大部件造成不必要的损坏，大部件损坏不仅维护费用高，高空更换空间有限，更换时间长，降低风机可利用率，损失电量较多。

3 双馈异步风力发电机组避免轴电压导致轴承损坏方法

3.1 现有双馈异步风电机组抑制高频轴电压现状

现有双馈异步风力发电机组均在抑制谐波及轴电压技术上有了长足进步，量产机型都装有dv/dt电感、滤波器、RC单元、接地滑环、接地碳刷等设备，甚至采取特殊布线方式来进一步避免轴电压危害，但根据实际运行经验仍不能很好避免轴电压对轴承侵害，风力发电机组设计运行寿命为20年，轴承的使用寿命一般为4-5年，严重影响了风电机组的可靠性。

3.2 避免轴承频繁损坏方法

3.2.1 使用绝缘轴承、陶瓷混合轴承，此方法需要增加轴承绝缘厚度，而绝缘厚度因制造工艺水平限制不易实现。

3.2.2 加注低阻抗油脂，可以降低绝缘电阻，但润滑效果降低，也会引起风机轴承因润滑效果不良而损坏。

3.2.3 风力发电机组集电滑环均装有接地滑环，安装在发电机尾端。在原有接地滑环的基础上在增加发电机前端旁路辅助接地，可以有效降低轴电压，降低轴电压幅值，对轴电流具有良好的传导作用，减少周电压在轴承上的负作用。因此通过增加接地装置（包括接地系统支撑板、刷架、恒压簧、碳刷连接接头、绝缘支撑固定螺栓、微动开关报警线、接地碳刷）可以达到减少轴承等备件损坏几率，综合经济效益和实现功能的可行性，发电机前段增加家底装置是最有效方法。

3.2.4 加装接地装置技术参数：

刷架系统支撑板：材料 1Cr17Mn6Ni5N 硬度 HRC56-62 外观电镀处理。

碳刷架：材料铸造耐腐性黄铜合金，加工工艺及机械性能符合 《JBT 5779-1991 电机用刷握尺寸》要求。

恒压弹簧：材料 0Cr18Ni9 生产制作按《JB2361-2007 恒压刷握弹簧》

碳刷架连接头：材料 H59 表面电镀镍

绝缘支撑：材料环氧树脂绝缘管 对地耐压实验 2500V 1min

整体性能要求：绝缘电阻：（1000MΩ/500VDC

绝缘体强度：500VAC@60Hz，60S

耐压强度：2500V

耐热等级：F级

工作温度：-30℃—150℃

3.2.5 关于轴电压抑制的方案：结合运行经验，根据双馈风电机组传动系统轴电压产生、传导的原理，对现已投入风电机组的进行整改的可行性和轴电压抑制的有效性，具体实施步骤：（1）在原有风电机组接地滑环上，将原有碳刷更换成 65%高含银的接地碳刷，该种材质碳刷有较好的传导轴电流效果，能够最大限度的降低周电压；（2）发电机驱动端加装接地装置（包括接地系统支撑板、刷架、恒压簧、碳刷连接接头、绝缘支撑固定螺栓、微动开关报警线、接地碳刷），相当于在原有基础上改善接地效果，增加接地面积。

4 结语

双馈异步风电机组的自身特点是今后风力发电向大容量、高稳定性发展的必然趋势，解决双馈机组与生俱来的高频轴电压问题，降低传动系统故障次数，延长轴承运行寿命，在风力发电行业具有广阔的前景，为风电场安全稳定运行打下了良好的基础，提升设备运行可靠性，具有积极的现实意义。

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[责任编辑：李书培]