双馈式风电机组发电机轴承故障探析

2020-01-19王新亮

中国设备工程 2020年22期

王新亮

（江苏龙源风力发电有限公司，江苏南通 226000）

在科学技术不断发展的背景下，近年来制造风电机组的企业也提升了制造水平，轴承是发电机中的核心零部件，但是由于其所处的自然环境较为恶劣，再加上设备长时间处于工作状态，因此，风电机组的轴承经常出现故障，从而影响发电机的整体性能。本文基于某风电场的双馈式发电机进行研究，分析轴承故障的具体原因，并提出相应的解决建议。

1 基于某风场的双馈式风电机组分析轴承的主要故障

1．1 某风场的双馈式风电机组轴承的故障情况

以某风场为例，该风场安装了100台1.5MW的风电机组，并且所有的风电机组均配置了CMS监测系统，因此可以定期对风电机组的数据展开分析，根据其测量的数据显示，该风场大部分发电机的轴承均发生过故障，技术人员通过对某一台风电机组中的发电机轴承进行时域以及频域分析后显示，是由于电腐蚀导致轴承出现故障。同时在对其他轴承进行监测时发现，经常发生轴承由于高温而产生的报警情况，现阶段该风场已经更换了50%的轴承。总而言之，发电机轴承故障显著影响了风机的利用效率，同时还提高了运营成本和维护费用，发电机的轴承故障已经成为当前影响风机正常运行的主要问题。

1．2 造成双馈式风电机组轴承故障的原因分析

1．2．1 轴承电腐蚀问题

在分析双馈式风电机组故障时发现，电腐蚀问题经常导致轴承发生故障，即电流流过轴承的问题经常出现，由于在电机运行中，定、转子磁路中或围绕轴的相电流中的任何不平衡都能产生旋转系统磁链，因此当轴旋转时，这些磁链能在轴两端产生电位差，也就是轴电压，其在通过两端轴承形成的闭合电路中会激励出循环电流，该电流也就是轴电流。另外，转子铁心的剩磁较多，对于绕线转子电机而言，如果发生绕组两点或者以上对转子铁心或转轴短路等，也会产生轴电压和轴电流，与此同时轴承电流的大小与电机的结构、电机的功率、驱动电压的幅度、脉冲上升时间、电缆长度等因素均有关。电机的功率越大、驱动电压越高、驱动电压的上升沿越陡、电缆越短，则轴承电流越大。通常来说，造成轴承过电的主要原因有静电放电、轴承磁场不对称以及共模电压与电压脉冲之间切换迅速等，在实际运行中，轴承电腐蚀往往是由一个滚道流向另一滚道时，而电腐蚀造成的破坏性与放电能量以及持续时间有关，但是造成的破坏效果基本保持一致。例如，在滚动体与滚道上产生微小电腐蚀凹坑、或者是润滑失效等问题。轴承磨损问题。

1．2．2 轴承磨损问题

轴承是机械设备中的核心冷部件，轴承故障可能是由多种因素引起的，如轴承的超负荷运行、轴承的安装及拆卸不规范等，在对上述风场轴承的更换数据进行分析后发现，80%发生故障的轴承，其外圈滚子上均出现了不同程度的磨损。由此可以看出，轴承磨损已经成为导致轴承失效的重要原因。

1．2．3 轴承润滑问题

由于风电机组通常在潮湿、高温、严寒以及盐雾等自然环境较为恶劣的条件下工作，因此经常导致发动机出现故障，但是在分析风场发动机故障时发现，由于发动机轴承的排油孔设计不科学，也经常会致使发动机出现故障，因此工作人员应该加强对轴承润滑工作的重视，严格按照轴承的维护手册对其进行保养，最大限度减少轴承故障，从而提升发电机组的安全性和稳定性。

2 解决双馈式风电机组发电机轴承故障的对策分析

2．1 采用绝缘端盖

为了降低轴承电腐蚀现象的发生，可以安装绝缘端盖，从而阻断轴电流回路，实现抑制电机轴电流的目的，这也是一种较为新型的电机组零配件，可以有效解决当前电机中存在的轴承腐蚀问题。该结构主要包括绝缘前盖、轴承室、轴承螺栓外的绝缘套管等，通过在前端盖与轴承室的接触面之间安装绝缘垫片，与传统技术相比，通过在普通的轴承后安装了可以替换的绝缘端盖，不仅可以有效避免电腐蚀，同时也能够降低的电机组的维修费用和生产成本，实现经济效益与社会效益的统一。

2．2 采用绝缘轴承

为了避免轴电流对轴承的灼伤损害，应该采取有效措施隔绝轴电流，可以使用绝缘轴承。例如，对于两端利用独立轴承座的大型电机，可在轴承座与金属底座之间放置绝缘材料做成的隔离垫片，而对于普通的轴承与机壳组装成一体的电机，则通常安排在非主轴前端，使用绝缘轴承，对于要求较高的场合，则可以两端均安装绝缘轴承。当前使用的绝缘轴承一般为外圈附加绝缘层的办法，偶尔也会使用内、外圈均附加绝缘层的绝缘轴承。

其次，加强对绝缘轴承的检查，例如，为了保障绝缘性能，需要对绝缘轴承的绝缘情况进行测量，其中包含轴承的绝缘电阻、轴电压以及轴电流等，测定电机轴电压的目的就是掌握电机中的轴电流大小，得到轴承电流的数值。根据相关资料显示，轴电流的损害主要发生在机座号为280及以上的变频电源供电电动机或者是普通的大中型高压电机中，因此需要增强检查力度。最后，为了确保轴承的性能，还可以对绝缘轴承的绝缘电阻进行测量，测量时最好是将轴承安装在转轴上之后进行，现阶段250V规格的绝缘电阻表使用较广，具体测量时需先将仪表的E端与转轴连接，如何将轴承的绝缘部分用铝箔覆盖后，或者用裸铜线绑扎将铝箔固定，再与仪表L端连接，还可以将绝缘轴承装入轴承座或电机端盖轴承室中，在没有电的通路的状态下，测量转轴与轴承座之间的绝缘电阻，确保数据的精确性。

2．3 加强转轴接地

使用高电导率碳刷直接接触发电机非驱动端转轴,接地效果更佳,降低转子轴电流损害发电机传动系统、变频器发生概率,提高发电机运行可靠性,碳刷接触线速度较传统集电环端更低,降低碳刷磨损率,提高碳刷使用寿命,碳刷安装位置更便于碳刷磨损检查和碳刷,碳刷滑环维护。另外，还可以在发电机中安装接地系统，双馈式的发电机可以利用变频器IGBT对发电机转子进行供电，从而控制电能的质量，确保发电机的正常运转，与此同时变频器还可以对发电机的转子给予一定的电压脉冲，然后令转子轴、发电机轴承和机座中形成高频的环流，而发电机中产生的这些电流，可以利用接地碳刷，将其迅速导入到大地中，避免转子轴由于接地不良，导致电流无法被导入到大地，从而致使轴承通电，最终由于电腐蚀令轴承出现故障，因此，相关工作人员可以加强转轴接地，通过安装良好的转轴接地系统，令发电机中转子轴对称的两侧均可以同时接地，进一步保障发电机转子有效接地，促进电流的导出，减少电腐蚀现象的发生。

2．4 注重日常维护

为了降低轴承故障，确保用电安全，需要加强对发电机轴承的维护工作，首先，需要定期检查碳刷磨损情况和接地碳刷开关的灵活性，同时还应该尽量选择同一个品牌的碳刷，以本文中的风场为例，该风场最初选择了3个品牌的碳刷，因此存在同一台发电机使用两种或三种碳刷的情况，但是由于各个厂家制造的碳刷质量不同，因此，经常发生不同品牌碳刷磨损程度不一致的情况，从而碳粉大量聚集，影响轴承的功能，因此，可以选用同一种品牌的碳刷，并且及时清除堆积的碳粉，避免轴承失效。其次，在轴承更换时，需要严格按照相应的标准，例如，本文中的某风场为了保障轴承的性能，要求在更换轴承时，必须采用轴承加热器对其进行加热，同时尽量将轴承中心与加热器的中心保持一致，控制好加热器的温度，保持在120℃以下，最好加热一次就安装好，减少多次重复加热现象的发生。最后，注重润滑工作，设备的维护人员可以适当增加轴承的加油量，同时缩减加油的时间间隔，避免发动机由于维护不及时发生的故障。例如，可以每3个月加一次润滑油，通常80克的润滑油需要的加注时间在2分钟作用，因此可以适当延长时间，每次可以使用手动的黄油枪加注160下，同时加注时间最好持续在3分钟以上，确保润滑油均匀地分布在整个轴承的滚子以及槽道中，采用此种维护方式，可以有效改善轴承的润滑情况，避免轴承发生故障。