双馈风力发电机轴承电腐蚀保护装置改进研究

文 | 张剑

（作者单位：西门子电气传动有限公司）

近十年来我国风电得到迅速发展。随着风电机组容量的不断增加，变速恒频风电机组已经成为目前风力发电领域的主流机型。其中，双馈型变速恒频风电机组更是由于变频器容量小、发电机制造简单等优势得到了广泛应用。由于风力发电机的工作环境恶劣，可能遇到各种复杂的天气状况和运行工况，轴承作为其中重要的易损部件，会出现各种故障问题，如轴承假性布氏压痕、疲劳磨损、内圈跑套、轴承电腐蚀等。

本文主要对轴承电腐蚀情况进行分析，根据轴承电腐蚀产生原因、常规的轴承电腐蚀防护措施及轴承电压的现场测试，提出一种改进的轴承电腐蚀保护装置。

轴承电腐蚀原因

一、轴电流的产生

轴电流问题自电机发展以来就一直被行业所关注，因为它与轴承的实际寿命息息相关。目前行业内主要将电机的轴电流分为两类：（1）“传统”轴电流；（2）由变频器产生的轴电流。

“传统”轴电流在过去几十年已经被广泛研究，其主要是由电机内部磁通不平衡引起，不平衡的漏磁通主要是由产品机械零部件的设计公差和装配过程引起，会在定子机壳、驱动端轴承、轴以及非驱动端轴承这个回路内感应电压及电流。随着电机尺寸的增大，磁路内的漏磁通会增大，感应电压（可以通过测量转子轴两端的电压大小进行评判，通常轴电压的安全值小于0.5V）也会随之升高。

由IGBT变频器驱动的电机会产生新的轴电流现象，这些现象不能用之前“传统”轴电流理论解释。该电流是变频器的工模电压与电机内部复杂寄生电容共同作用的结果，其大小与变频器的直流母线电压和载波频率息息相关。但迄今为止轴电流与轴承寿命之间尚不能通过清晰的关系进行关联，这就是目前无法指定这类轴电流安全值的原因。然而，由PWM变频器驱动而产生的轴电流同样会像第一类“传统”轴电流一样加速轴承老化和损坏，因此，在一定情况下会减损轴承寿命。

二、轴承电腐蚀失效过程

电机正常运转情况下，轴承内、外圈滚道与滚动体间存在的润滑油膜会起到一定的绝缘作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能发挥绝缘性能，不会产生轴电流。但当轴电压积累到一定数值并大于轴承油脂的击穿电压时，它们就会在轴承中产生电弧，沿着与电机轴承之间阻抗最小的路径放电（如图1）。特别是在轴承内部滚道与滚动体形成金属性接触的瞬间，轴电流可达上百安培，导致轴承滚道产生小的麻点（凹坑）。当发生此情况时，由于温度足够高轴承钢会熔化，轴承润滑脂也会被烧毁。由于极为频繁的放电，不久整个轴承滚道布满的无数凹坑会造成过多振动和噪音。而当润滑油中掺入熔化的金属微粒后，油膜阻值降低又会加速这个过程，轴电流的电解作用使润滑油炭化。这两个过程都会造成油的润滑性能变差，使轴承温度升高，最终造成轴承电腐蚀失效。

常规的轴承电腐蚀防护措施

目前业内发电机制造企业针对轴承电腐蚀问题主要采取以下三种防护措施：

一、接地碳刷

在变频器的工模电压与电机内部寄生电容的共同作用下，转子轴上会感应出高电势，通过在非驱动端加装接地碳刷使转轴接地，可以消除轴上的感应电势。但是由于磨损的接地碳刷会在表面形成氧化膜，增大碳刷与轴之间的接触电阻，阻碍轴电压的释放，因此，需要定期对其进行维护和更换。同时还需要安装磨损报警装置，以预防碳刷失效。

二、绝缘轴承

为了阻断轴电流通过轴承的路径，可以在轴承内部添加绝缘，例如，在轴承外圈表面通过等离子喷涂工艺形成陶瓷涂层来阻断不高于1000V的电压。对于低频交流电压，绝缘效果取决于陶瓷层的纯电阻值；对于高频交流电压则取决于陶瓷层的容抗值。目前绝缘轴承还属于特殊应用范畴，由于各轴承制造厂家采用的方式不同，绝缘参数指标没有形成统一标准，差异很大，而且绝缘轴承价格相对较高。

三、端盖绝缘

阻断轴电流的另一种方式是在轴承室与外端盖之间加装绝缘，常用的绝缘材料有UPGM203、SMC等。相比于陶瓷涂层，绝缘端盖因具有更高的机械强度、阻燃性、绝缘电阻值和耐电压强度，更低的电容值、吸水率及翘曲度等优点被广泛采用。

改进的轴承电腐蚀保护装置

图1 轴承油膜击穿和滚道凹坑

图2 双馈风力发电机组电气原理

图3 轴承电压现场测量值

图4 改造的接地刷架系统

图5 安装保护装置后测量值

双馈风力发电机组整个传动链的简化电气原理图如图2所示。由于成本原因，大多数变频器厂家本身没有配备共模电压滤波器，因此，变频器产生的高频共模电压会经约百米长电缆放大后加到发电机转子绕组上。电机内部寄生电容会把部分电压分配到轴承形成轴承电压，从而腐蚀轴承。轴承电压特性与所配备变频器的开关频率和du/dt息息相关。所以，控制变频器的共模电压是解决轴承腐蚀问题的最直接方法，但由于成本较高，目前只能从发电机端去解决该问题。

市场调研发现国内某风电场33台1.5MW双馈风力发电机轴承电腐蚀故障率高达60%以上，统计的平均故障发生时间为2～3年。风电场实际测得高频轴承电压峰值高达190V（如图3），可以得出正是由于这个高电压瞬间击穿润滑油膜形成放电，从而造成轴承腐蚀。

基于对该型号电机轴承绝缘结构、端盖尺寸和轴承电压测试结果的研究分析，对电机非驱动端原有的接地碳刷系统进行额外添加一种接地保护装置的改造，如图4所示。该装置通过支撑架安装在轴承室外部，可以将轴承室的高电势通过接地碳刷大大降低，这样可确保将轴承电压降低到对轴承没有危害的等级。同时该装置配备碳刷磨损报警传感器，一旦碳刷长度低于限定值，可以及时提醒用户更换碳刷。该装置具有成本较低，同时易于现场安装的优点。

对同一台发电机安装保护装置后重新进行现场测试，测试结果表明高频轴承电压峰值已经降低到对轴承足够安全的2V（如图5）。也就是说，通过该装置可以有效降低轴承电压值，从而使轴承免受损伤。

结论

变频电机轴承电腐蚀问题一直是电机行业内关注的重点问题，双馈风力发电机也是如此。本文针对国内某风电场出现的大批量轴承电腐蚀问题，通过理论分析和风电场试验对比，提出了一种改进的轴承电腐蚀保护装置。该装置能够大大降低轴承失效的概率，同时可适用于其他功率等级的双馈发电机，具有一定的工程和实用价值。

摄影：朱小峰