双馈系列风力发电机塔上典型失效模式分析

曹 杰

（北京京城新能源（酒泉）装备有限公司，甘肃酒泉 735000）

0 引言

双馈电机运行时机械、电气、磁路、通风散热等系统等相互关联，涉及电、机、磁、力等物理化学过程。从故障机理可知，双馈异步电机处于异常运行或故障状态时，必然会引起一些电气量（电流、电压、功率、转矩等）或非电气量（光、声、热量、振动等）的变化，这些变化是检测和判断故障类型、程度的重要资料 。从电机结构来看，分为定子故障、转子故障、轴承故障和气隙偏心故障等，其中轴承部分故障占40%，定子部分为38%，转子部分为10%[1]。

1 轴承本体损坏及引发的关联故障

1.1 轴承本体故障及监测方法

轴承故障分为内圈故障、外圈故障、滚动体故障以及保持架故障，上述故障发生会产生周期性冲击，从而触发振动测量传感器信号，通过对振动信号的分析提取故障源信号，最终诊断出轴承故障。

通过轴承故障—电机转轴振动—气隙振动—气隙磁通受到调制—定子绕组内感生出谐波电流。所以通过对定子电流的信号分析处理来诊断轴承故障也是一种检测手段。

1.2 轴承振动引起轴颈或端盖损伤

轴承振动分机械装配方面和电磁方面引起电机振动，造成电机端盖与轴承外圈配合间隙增大；引起轴承振动，造成电机轴颈与端盖损坏。轴颈与轴承内圈配合处，端盖与轴承外圈配合处均因振动原因产生较深划痕，磨损严重，需经补焊并重新加工后才能继续装配使用。

产生上述磨损的原因分析：①发电机地脚紧固松动；发电机对中超差；转轴弯曲变形；定、转子铁芯磁不同心；转子动平衡不良等；②轴承端盖内孔与轴承外圈配合不当。轴承外圆与端盖孔的配合采用基轴制，采用j6，j7配合[2]；内圈与轴过盈配合，在施加负荷时不会在内圈与轴配合表面上产生滚动或滑动。不旋转外圈常采用间隙或过擅不大的配合。配合不当会导致振动产生，进而发生损坏；③电磁方面主要是不平衡运行，例如：定子绕组存在接线头松动，或开关存在接触不良；定子绕组有一相或两相发生短路或断路；外电路三相负载不平衡均会引起发电机不对称运行导致轴承振动。

1.3 轴与集电环的电腐蚀现象

电机修理过程中发现轴摩擦表面凹坑是电机的常见故障之一，该故障可使轴承烧死电机无法运行，且严重损坏电机转轴与轴承接触表面，致使转轴与轴承报废。电机在出厂前进行了严格试验，轴承振动、温升、噪声各项指标均检测合格。分析轴承烧死与轴表面凹坑的原因。电机在运行一段时间后，转轴轴承位表面经常出现许多小而深的圆形蚀点，排除轴承本身质量、轴承安装和碳刷摩擦的原因，另一个重要的因素就是轴电压的存在。

轴电压通常（8～10）V，旋转电机在运行中产生轴电压的原因有轴交链交变磁通和静电荷积累两种，双馈机组多采用滚动轴承，轴电流的损伤更加严重，只有轴电流＜1 A时，一般滚动轴承才能稳定运行[3]。

通常，轴两端只会存在很小的电位差，倘若存在较高的电位差，就要从设计原因、制造缺陷、产生故障和电源条件进行考虑排查。轴电压对电机的损伤是通过电流造成的，轴表面与轴承内圈表面产生电弧放电产生蚀点。随着电机运行，电压升高，电流会击穿轴承内外圈之间的油膜，进而在轴、轴承内圈、轴承室、轴承外圈之间构成一个电流回路。电流不但破坏了油膜的稳定性，还破坏了轴与轴承的过盈配合。

鉴于上述问题的存在，目前风电机组中比较实用的解决方法：①电机设计生产过程中轴上增加了接地碳刷或铜刷，并对已经运行的机组进行塔上增加接地技术改造；②从设计上制造绝缘轴承室，涂绝缘涂层或安装绝缘轴套，杜绝电流回路的产生[4]。

1.4 集电环的电腐蚀现象

电腐蚀的最终后果是集电环表面由于电火花而灼伤，表面凸凹不平。因此通过改变集电环的金属材质，采用高导电性、耐高温、耐腐蚀的合金材料可有效抑制电腐蚀的发生。但由于受集电环的安装工艺及成本限制，此方法很难实现。碳刷与集电环接触表面被破坏，导致碳刷更换周期变短成本上升。

电腐蚀的直接原因为集电环与碳刷之间产生电火花，使集电环过热，从而烧灼集电环表面。为控制电火花的产生，应尽量减小集电环与碳刷之间的接触电阻。为防止集电环表面过热，应适当减小接触面的电流密度。为此可以选用大截面的碳刷，用以增加集电环与碳刷的接触面积，从而减小接触电阻及接触面的电流密度，同时选用高电流密度的碳刷，可有效抑制碳刷发热，同时增加了碳刷的耐磨性。

现场最有效的措施是更换碳刷，更换碳刷虽然没有解决问题的根源，但可有效抑制电腐蚀的发生，且现场很容易实现。同时结合定期用干燥的压缩空气吹扫碳刷支架及滑环凹槽，清理沉积的碳粉，从而减小滑环正负极之间的回路电流，可进一步抑制电腐蚀现象的发生，从而延长碳刷的更换周期，提高设备的运行可靠性。

2 其他故障引起的绕组损伤

2.1 雷击造成绕组损坏

雷电是自然界中雷云之间或是雷云与大地之间的一种放电现象，其特点是电压高、上升时间小，危害性大。即使避雷器保护，但雷击过电压对发电机所造成的损伤仍然不容忽视，特别是雷电压冲击对发电机绕组绝缘造成的损伤更为明显，最终可能导致严重事故[5]。

在不考虑扫堂的情况下，发现定子与转子上存在两处及以上的大面积烧伤或击穿情况，需重点考虑雷击的因素，因为一般电气故障在一点击穿后，电机即停止运行，只有非常大的电流流过绕组才会出现两处以上的绝缘击穿现象存在。

2.2 机械损伤造成绕组损坏

（1）平衡环断裂引起的绕组绝缘损伤。发电机解体后发现轴伸端平衡环开裂脱圈，平衡环撞击定、转子线圈端部，造成定、转子线圈放炮，转子端部无纬带烧断，定子线圈绝缘层破损。分析原因：①发电机平衡环材质或焊接质量或焊接位置存在问题；②发电机长期在振动超标的状态下工作，造成平衡环最终在应力集中处开裂。

（2）风扇断裂引起的绕组绝缘损伤。风扇的机械损伤产生的破坏方式与平衡环是一致的，且风扇断裂也常发生在焊缝处、部件连接部位、螺栓孔把何处等引力集中部位，同样会对定子与转子绕组产生巨大破坏，影响机组的正常运行。

（3）异物窜入引起绝缘损伤。在发电机装配、检修、日常维护和运行过程中，倘若有导电体进入发电机绕组部位，将会产生放电，首先击穿绕组绝缘或产生扫膛，进而引起电机绕组绝缘的整体性损伤，危害极大。

（4）绕组端部绝缘损伤。工作状态下的发电机，绕组是发电机最脆的部位，机械损伤也最易触发，而后引起电气故障。反之，电气故障最先损毁的也是绕组，绕组故障也就成了发电机的一个高频故障点，而绕组端部又是绕组的一个薄弱点。

定子绕组槽内部分的稳定向较之端部要稳定，端接会因为突然短路而产生的强大电磁力冲击受到破坏；突然短路瞬间对电机危害最为严重，不对称突然短路时电磁转矩更大，能达额定转矩的10倍左右[6]，直接破环了定子绕组。

（5）引线故障。发电机组转子磁极引线以铜芯电缆为主，连接集电环与磁极，长时间工作状态下会产生，引线绝缘破损，铜线裸露烧灼。

发电机转子单点接地，停止工作后信号消失的情况经常在电机运行时出现。测试转子对地绝缘发现示值为2.5 MΩ，仍在最小允许的2 MΩ范围内。该故障会多次出现，原因可能是引线或磁极损伤所致。机组在1400 r/min时，转速较高、离心力较大，大的离心力导致绝缘损伤的可能性解释比较合理。

3 风力发电机日常维护建议

（1）定期检查轴承润滑、集电环磨损、同时检查发电机运行过程振动值，出现超标查找原因，建议3个月为周期进行检查。

（2）严格按照半年检、全年检要求调整发电机对中。

（3）建议增加塔上发电机解体及电气检查，或通过改造在发电机端盖加检修孔，消除机械、电气故障隐患。

（4）发电机运行过程出现同样故障报警，一定要上塔查找原因，手动复位。

4 结论

发电机作为双馈系列风电机组的核心部件，与机组的发电效率、运行稳定性、产成效益息息相关，但同时发电机又是机组一个故障频发点，源于其复杂的结构和复杂的运行环境，以及塔上维修的局限性与塔下维修高额的成本，检修维护人员在精确维护的同时，更应注重掌握故障预兆与故障变现形式，进而最大限度的将发电机故障控制在一个可预测、可控、可消除的层面上，使其更高效的参与机组的运行。