某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究

2020-04-19摆念宗

风能 2020年11期

摆念宗

双馈异步发电机是目前风力发电系统中主流的发电机形式之一。与其他发电机不同，双馈异步发电机通过变频器在转子绕组中施加不同频率的交流励磁电流，以实现定子侧恒定频率的输出。但由于运行环境恶劣、工况复杂多变，双馈式风力发电机在长期运行过程中会出现各类故障，如定转子绕组接地、匝间短路、绕组断相、轴承点蚀、轴承漏油等。此外，风力发电机在设计、制造或安装时也会出现问题，如发电机定转子相间不平衡、相间绝缘电阻低、轴承密封不良、轴承润滑不良、转子极间联线以及引出线设计不合理等。

相比于环境因素，这些由设计、制造等环节引发的问题和缺陷大大增加了发电机发生故障的概率，导致现场频繁出现发电机故障甚至损坏的情况，不仅给风电场运维带来极大的困难，大量的故障维修也会造成风电场的电量损失，尤其是更换发电机的周期较长，导致电量损失更多。高故障率还会导致额外的备品备件费用、大部件更换费用等，从而造成维修成本显著增高。因此，有必要分析发电机故障原因，并采用针对性的技术改造方案，以提高设备可靠性。

某风电场1.5MW双馈式异步风力发电机，在运行过程中频繁出现各类故障，主要包括转子断相、转子接地、转子相间电阻不平衡、发电机振动、发电机内部漏油等。通过对各类故障进行诊断分析，发现该型号发电机在轴承绝缘、转子极间联线、发电机轴承油槽密封等方面存在设计缺陷，从而导致风电机组在运行过程中频繁出现同类故障。本文以该风力发电机为例，探究了导致各类故障的设计缺陷，并针对各种缺陷提出了有效减少发电机故障的技术改进方案。

风力发电机结构及参数

国内某风电场风电机组采用1.5MW双馈异步风力发电机，其主要参数如表1所示。

雙馈异步发电机主要包括定子系统、转子系统、转轴及轴承、集电环系统、散热系统、润滑系统、前后端盖、机座等。定子系统主要包括定子绕组和定子铁心，定子三相绕组直接与电网侧连接，对外输出电能。转子系统主要包括转子绕组和铁心，转子绕组三相交流引出线与集电滑环连接，通过集电滑环与变流器转子侧连接，再由变流器经过AC/ DC和DC/AC变换与电网侧连接。变流器为转子提供变频的三相交流励磁电流，以适应风力发电机复杂的运行工况。轴承系统包括发电机前后轴承、润滑系统等。轴承与转轴采用过盈配合连接，转轴驱动端通过联轴器与齿轮箱连接，受机械驱动带动转子旋转。

风力发电机故障缺陷分析

随着运行时间的增加，该机组发电机频繁发生故障。2015年，更换发电机的次数高达10次；2016年，更换发电机10次，塔上修复6次；2017年，更换发电机17次，塔上修复8次，技改3次；2018年，更换发电机8次，塔上修复14次。

统计显示，该型号风力发电机的主要故障包括转子断相、转子接地、转子相间电阻不平衡、转子直流电阻不平衡、定子绝缘击穿、振动大。其中，转子断相故障率最高，且故障次数逐年增多。转子断相的原因有很多，如极间联线断裂、转子引出线断裂、转子线圈烧毁等，而其深层原因可归结为轴承损坏导致振动过大、极间联线因设计不合理受力过大、转子引出线因安装不合理受剪切断裂等。

通过对该型号风力发电机的故障问题进行分析发现，该发电机在设计、制造、工艺等方面存在的缺陷主要包括：（1）发电机轴承系统绝缘设计不合理，轴承电腐蚀情况较严重。（2）发电机驱动端无接地装置。（3）转子极间联线圆弧设计、安装不合理。（4）转子引出线安装不合理。（5）发电机两端轴承密封较差，发电机端盖及发电机内部漏油严重。

技术改造方案

一、发电机轴电流技术改造方案

为了有效减少轴电流对轴承的电腐蚀，一方面，可以采取措施阻断感应电流从轴承流过；另一方面，可以将轴电流引到大地散流。因此，本文采用的轴电流改造方案主要涉及发电机端盖、发电机轴承和转子接地。

（一）发电机端盖技术改造方案

本文所述双馈风力发电机采用绝缘轴承，以防止轴电流造成的电蚀危害。由于轴承采用了绝缘结构，发电机端盖的结构因此也比较简单（见图1）。由于端盖与轴承接触部分为金属材料，当轴承发生绝缘损坏时，轴电流将沿着“转子―轴承―金属端盖―机壳”形成通路，流经轴承的轴电流容易造成轴承电蚀，进而造成轴承的损坏。

为了有效防止轴承绝缘损坏时发生轴承电蚀的现象，需要对原有发电机端盖进行技术改造。根据轴电流机理，在轴承系统中增加绝缘层可以阻断轴电流通路，具体方法包括采用绝缘轴承、绝缘端盖以及绝缘轴承座。因此，本文采用绝缘端盖和绝缘轴承座来提高轴承系统绝缘的可靠性。

如图1所示，原有发电机端盖与轴承座为一体结构。结合原发电机的机械结构，本文将原发电机端盖改造为端盖加装绝缘轴承座的结构，即将原发电机端盖的轴承座部分去除，只保留端盖本体，然后在端盖内圈加装带绝缘层的轴承座。端盖与绝缘轴承座采用螺栓组装固定，改造后的绝缘端盖如图2所示。由于端盖与轴承座之间采用螺栓连接，为保证绝缘的有效性，在螺栓外部也需要加装绝缘套管。

（二）发电机转子接地系统技术改造方案

本文中讨论的双馈风力发电机未在驱动端设计接地装置。根据轴电流机理，安装转子接地系统，将轴电流直接导入大地，也能够防止轴电流通过轴承产生回路。因此，可在绝缘端盖设计的基础上，在驱动端增加接地装置，提高轴承抗轴电压的能力。

接地装置有铜编织线和接地碳刷两种。考虑到接地装置的安全性、可靠性等因素，本文采用加装接地碳刷的方案（见图3）。具体方案为在发电机驱动端加装一套轴头接地系统，接地系统包含碳刷装置和接地线两部分：碳刷装置主要由碳刷、碳刷支撑架、碳刷固定体、弹性连接片、卷簧等部件组成；接地线则主要是在端盖和机座、滑环室与端盖、接地碳刷与端盖之间安装，保证各个安装部件的可靠接地。

二、发电机轴承油槽技术改造方案

根据现场运维情况，本文所述双馈式发电机轴承出现故障的情况较多。一方面，变流器谐波电压导致产生轴电压，当轴电压大到一定程度将击穿轴承润滑油膜，加之轴承绝缘损坏，轴电压将沿着“转子―轴承―金属端盖―机壳”形成通路产生轴电流，从而造成轴承电蚀烧毁；另一方面，该电机在初期生产过程中质量管控不到位，内轴承盖进油槽与端盖加油孔安装时未对正，外轴承盖存在铸造缺陷造成出油孔浅，这些都将直接影响轴承的润滑情况，最终损坏轴承。该发电机轴承原设计结构如图4所示。由图可以看出，润滑脂从轴承外盖加入，经过端盖进油孔、轴承内盖油槽，进入轴承内部对轴承进行润滑。虽然在发电机外侧有挡油环，但由于发电机转子内部有冷却风扇，其使得发电机端盖与转轴根部形成负压区，而原发电机内侧仅靠凹槽密封，因此，在发电机运行过程中油脂就容易被负压区的压差吸入电机内部，从而导致发电机内部油脂较多。以上这些问题都严重影响了发电机的正常运行。

为了解决轴承漏油的问题，针对漏油的发电机，可对轴承的油槽密封结构进行技术改造，改造后的軸承结构示意图如图5所示。由图可以看出，本方案在两端轴承内外盖内分别增加了油封，并且油封采用了迷宫式密封方式，从而大大延长了油路密封距离，能够有效防止轴承润滑油脂被吸入发电机内部。在轴承迷宫油封的设计和安装中，需要重点考虑轴向、径向的定位和紧固，以及油封间隙等参数，轴承油封可采用过渡或过盈配合与主轴固定。通过该方案改造，能够保证油路通道的畅通，有效保证轴承润滑良好。

三、发电机转子极间联线技术改造方案

转子极间联线，又称过桥线，其作用是将同一相的两个线圈组串联起来。本文所述双馈发电机转子有3根极间联线，每相一根，由单根铜扁线折弯而成（见图6）。根据现场运维记录，该双馈发电机在运行过程中普遍存在过桥线断裂、烧毁等现象，严重影响发电机的正常运行。

通过分析双馈发电机的故障发现，转子过桥线所受离心力过大，且支撑点过少。一方面，离心力通过过桥线圆角传递至过桥线根部，圆角弧度过小，导致应力集中；另一方面，转子长期振动也会导致过桥线疲劳断裂。

因此，为了解决以上设计缺陷，需要对该双馈发电机的过桥线进行改造，消除发电机故障隐患，保证设备安全可靠运行。基于双馈发电机过桥线故障分析结果，可以从两个方面对其进行改造：一是重新设计过桥线结构，增大过桥线圆角弧度，起到减小应力集中的作用；二是增加过桥线固定点和支撑点，减小根部圆角的应力集中，减少振动。

（一）过桥线结构改造

本文采用如图7所示的过桥线结构，该结构增大了过桥线圆角弧度，可有效减小应力集中。改造后的转子端部结构如图8所示。

（二）过桥线支撑点改造

目前，增加过桥线固定点和支撑点的方法主要有3种：一种是在发电机转轴上加装一个钢环，用绑扎绳把过桥线圆弧部分绑在钢环上，从而大幅减小过桥线内部应力；另一种是在发电机转轴上加装一个带铜端环的刚性支架，铜端环与转子线圈焊接，并绑扎固定，替代原有过桥线；还有一种是在过桥线与转子绕组间隙填充材料（见图9），达到支撑过桥线以减小应力的目的。

若考虑改造效果，方法一和方法二固定点、支撑点、绑扎点多，效果优于方法三，但是工艺较复杂，成本较高；若考虑施工难度和成本控制，则方法三更加简便快捷，也能起到减小应力集中的效果。

因此，通过改造过桥线，一方面，增大过桥线圆角弧度，有效减小根部圆角应力集中；另一方面，增加过桥线的固定点，从而减少振动，最终有效减少过桥线的疲劳断裂故障。

结论

本文针对国内某风电场1.5MW双馈式发电机的缺陷和故障，提出了具体、针对性的解决方案。对于发电机轴承电腐蚀问题，结合发电机原有结构，提出采用绝缘轴承端盖和轴承座的形式，并加装转子接地系统；对于轴承油槽漏油问题，提出将原有油封改为迷宫式密封的方式；对于转子过桥线断裂问题，提出采用加大圆角弧度和增加支撑点的方法，从而减小转子过桥线应力集中。