双馈风力发电机轴承波纹状损伤分析及预防

陈国光，姜 洋，张来祥，冯 欣，夏延秋

（1.黑龙江省华富电力投资有限公司，黑龙江哈尔滨 150090；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

0 引言

风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力，风力发电作为新兴能源在国内的战略能源结构中扮演着重要角色。其中风电发电量仅次于火电和水电，排在发电量的第三位。随着风电产业的迅速发展，国内大型风力发电机组制造技术已经趋向成熟，其中双馈发电机的变速恒频控制方法是在转子电路实现的，双馈发电模式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接，双馈风力发电机是目前风力发电的主要机型。

1 风力发电机轴承故障的特点

作为风电机组的重要部件—发电机，其运行稳定性直接影响着风力发电机组的运行，随着风力发电机组运行时间的增加，发电机轴承故障也越来越多，导致运行维护成本增加，风力发电机组运行可靠性降低。其中风力发电机电腐蚀作为电机轴承失效的一种形式，也越来越多引起相关技术人员的关注。电腐蚀简称电蚀，是指轴两端将会出现交流电压，当轴承上的分电压达到一定阈值时，将击穿轴承中的油膜，在轴承转轴、内圈、外圈和轴承室组成的回路中产生电流，电流导致轴承轨道表面出现局部熔融和凹凸现象。卢源[1]报道了某风场的双馈风力发电机累计更换过发电机轴承的风机数达总风机数的1/2，其中更换的风机中90%更换过发电机前后轴承，另外多次更换轴承的风机达总数的1/3，而且更换的故障轴承80%是轴电流引起的波纹状损伤。到目前为止还没有有效的方法来监测因轴电流引起的轴承损伤，双馈式发电机轴承失效已成为电机轴承的主要失效形式。

2 避免发电机轴电流的方法

随着双馈风力发电机的装机总量的增加，如何避免或减缓因轴电流引起的轴承失效是当前和未来要解决的主要问题。如何监测因轴电流引起的疲劳。如果SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据监控系统）系统数据中有转子和定子电流信号数据、电压信号数据和输出功率信号数据并对其进行分析，不失为一种切实可行的方法。通过对波纹损伤的轴承的SCADA 数据分析，发现电机轴承温度提高可以预测轴承损伤。

3 避免轴电流的措施

3.1 绝缘法

轴承部件的绝缘可以减缓轴电流对轴承的损伤，目前采用的绝缘方法有：绝缘端盖、绝缘轴承座、轴承内圈及外圈加涂层绝缘、用陶瓷深沟球轴承等方法。

普通轴承替换为有电绝缘性能的轴承，以阻断轴电流的路径。绝缘轴承包括混合陶瓷轴承和套圈带绝缘涂层的轴承。陶瓷轴承因成本过高，已很少采用。而黄熙等人[2]研制的无纬带和片状模塑料绝缘端盖结构目前已大大限制了电机轴承轴电流的产生，降低了因轴电流引起的失效风险，具体结构如图1所示。

图1 两种电机轴承端盖的绝缘设计方法

3.2 润滑脂方法

研究发现，对于电机轴承，因为轴电流的存在，润滑脂的选择上就要考虑润滑脂的防电腐蚀性能，同时润滑脂也是保轴承不损伤的最后一道屏障。研究发现，在轴电流作用下，当干摩擦状态下，轴电流瞬间导致轴承表面失效，而润滑脂的存在将大大延缓轴电流对轴承的损伤。

润滑脂作为阻断轴电流的最后一道屏障，起着至关重要的作用。轴承润滑脂具有降低滚动体间摩擦、减少动力消耗、排出热量、防止轴承温升和抗疲劳的作用，同时，轴承润滑脂还应具有好的润滑性、抗氧化、防腐、防锈、减振和降噪等作用。研究发现，通过改善润滑脂的导电性，可以大幅度延缓或阻止轴电流的发生[2]。实际工作中还发现，提高润滑脂的加注量和缩短加注的间隔可以大大降低因轴电流引起的轴承损伤。

3.3 现场问题

某风电场位于海拔约170 m 的半丘陵地带，属温带大陆性季风气候，四季分明。安装1.5 MW 双馈异步风力发电机组，发电机轴承为SKF 进口轴承，润滑脂为克虏伯114 润滑脂，注脂装置为林肯自动注脂机，风机运行8 年来，目前以每年约5%的发电机轴承因轴电流而发生损伤，因维修而停机导致发电量降低。图2 示出了轴承内圈因轴电流而导致的波纹状损伤。

图2 轴承内圈表面波纹状损伤

图3 风力发电机电机温度的监测曲线

图3 示出了该风机失效前3 个月的电机轴承测和非驱动侧温度记录曲线。通过分析发现随着运行时间变化，电机温度逐步提高，温度变化曲线代表了电机工作的状态，即有风和无风时电机的温度。发现在检查前的80 d，事实上已经发生温度异常升高，是否可以通过温度异常判断轴电流损伤，即温度的监测可以预测电机轴承的损伤，但不能确定电机失效形式，因此需要更深入分析轴电流产生的原因和测试手段，来抑制轴电流发生和通过润滑手段减缓对轴承的损伤。可以判断轴承工作的运行状态，减少轴承故障的发生，这有助于合理地安排维修，提高电机运转的稳定性，提高发电效率，为延长发电机轴承的使用寿命提供理论依据。

4 结束语

发电机轴承是风力发电机的重要零件，发电机轴承一旦发生故障将导致风力发电机组的发电效力降低，甚至导致风机停止发电，需对轴承维修后才可以运行。通过对电机驱动侧和非驱动侧温度变化发现，温度可以作为轴承电腐蚀损伤的预警。如果能通过轴承两端温度的变化，对轴承电蚀损伤采取相应的预防措施，将对风力发电机轴承的运行提供了保障。