浅谈GE1.5sle winergy风力发电机轴电流的影响

朱玉成

（中广核新能源（涟水）有限公司，江苏 淮安 223001）

0 引言

风力发电机组是由电气、液压、机械、气动等各方面组成的一个复杂的发电系统，双馈发电机作为风力发电机组关键敏感设备，是机组传动系统中重要的组成部分，而发电机轴承承载着发电机的负载和扭矩，是发电机最关键部件之一，轴承的失效故障会造成发电机长时间停役，严重时造成发电机下架，造成较大经济损失[1]。本人结合自身的工作经历和多年行业经验，对于风力发电机组中发电机轴电流的产生和对发电机的影响进行简单分析，对解决发电机轴承失效原因提供解决方向。

1 背景

1.1 案例描述

根据某风电场 winergy1.5MW 双馈风力发电机的运行维护情况及轴承故障统计情况，反映该系列发电机一期轴承烧损情况较为严重，不仅存在轴电流腐蚀的情况，也有个别轴承疲劳剥离的情况。但观察更换下的轴承主要烧损的现象为搓板纹的轴电流腐蚀，约占20 台次，占比近 20%。可以初步结论：风场风力发电机轴承失效形式基本可定性为轴电流失效[2]。

1.2 轴承安装方式

风力发电机的轴承安装结构因生产厂家不同而不同，多数厂家采用图1所示结构，而轴承多采用深沟球轴承，深沟球轴承结构简单，使用方便，是现在双馈风力发电机中应用范围最广的一类轴承，它主要用以承受径向载荷，也可承受一定轴向载荷。和其他类轴承比较，具有摩擦因数小、极限转速高的特点。但深沟球缺点是存在振动和噪声较大，对金属屑等异物特别敏感，轴承一旦进入异物，就会产生持续的较大的振动和异响，造成轴承损坏。

图1 轴承装配图

该风电场 winergy1.5MW 双馈电发电机采用型号为 6330M/C3 的轴承，轴承绝缘结构为采用绝缘轴承座和轴承前后加绝缘挡板方式如图2：

图2 winergy1.5MW轴承绝缘方式

2 发电机轴电压与轴电流的产生原因

（1）因磁场不平衡而产生的轴电压，发电机因扇形板轴因素、硅钢板柱荷载因素以及核心槽带有通风口等，引起不平衡存在的磁阻，而且转轴四周有交变磁通切割转轴，在轴的两端形成感应电压，当轴电压达到一定值时，通过轴承及其底座等形成闭合回路产生轴电流。

（2）如果风机变频器采用 PWM 的调制方式，当对功率器件进行快速开关时，就一定会产生电压尖峰，这种尖峰电压变化率（dv/dt）极高，形成高频电压，可以通过转动系统的寄生电容、寄生电感耦合至电机的轴，再传导轴承与地形成回路，产生高频轴承电流[3]。

（3）测温元件绝缘层损坏失效、静电积累都是导致轴电压产生的可能因素，而轴电压如果在转轴与机座、壳体之间形成回路，就导致了轴电流的产生。

3 轴电流对发电机的影响

3.1 对轴承造成电灼伤

正常情况下，转轴与轴承间的润滑油膜，会起到一定的绝缘作用，但在润滑油膜被击穿后，油膜形成的寄生电容中存储的电荷通过极小击穿点导通放电，在轴承滚道表面微小的金属面上产生了极高的电流密度同时瞬间释放出极高的热量，熔化了放电点的金属从而形成凹坑。随着风机的不断运行，高频周电压击穿油膜放电而形成的轴承表面凹坑不断增多，滚动体、轴承内圈、外圈的光洁度随之破坏，不断积累下便形成了滚动体表面肉眼可见的搓板纹如下图3，最后就造成了轴承因为游隙、振动过大以及温度升高等因素失效[4]。

图3 轴电流腐蚀失效现象

特别是当轴与轴瓦形成金属性接触的瞬间，轴电流可达上千安，将严重灼伤轴瓦，造成轴承保持架断裂、滚动体损坏，轴承内圈与转子轴抱死情况如下图4，损坏转子轴，最后不得更换发电机，产生高昂吊装和维修费用。

图4 轴电流导致轴承失效现象

3.2 损害润滑油脂的润滑性能

润滑油脂在轴承旋转过程中会形成一层油膜，油膜形成的寄生电容可以起到绝缘作用，油膜厚度决定了电容值的大小。风机在高空运行时，由于特殊工况导致轴承油膜不稳定，寄生电容的电压可能会升高，而当高于油膜能承受的电压时，油膜就会被击穿。油膜被击穿时，油脂被电解碳化，造成极压润滑，使轴承温度迅速升高，严重时造成轴承失效。

3.3 对轴承座绝缘的影响

如下图5所示，该系列发电机前后均采用绝缘轴承座，绝缘轴承座的形式为内圈采用喷涂绝缘处理，绝缘厚约 2~3mm，（目前行业内普遍采用的喷涂材料为特弗龙或氧化铝），从下图 5 中可初步判定该绝缘材料为氧化铝（氧化铝材料类似于 SKF 的电绝缘轴承的绝缘层），其强度较低。该绝缘层作为电机轴承的承载区域使用，发电机长期运行还存在各种各样的冲击、蠕变等负荷，该处的绝缘易导致接触失效，如果出现反复的轴电流失效，则应重点检查轴承座绝缘结构是否损坏。但也有可能由轴承座内圈以及轴承两端绝缘端板所形成的轴承对地绝缘结构可能会因为包容空间的爬电导致绝缘失效。

图5 winergy发电机喷涂绝缘结构的轴承座

3.4 对发电机其他方面影响

根据该风电场 winergy1.5MW双馈风力发电机的运行故障情况，因轴电流造成轴承失效的发电机，历史故障列表中基本都报过发电机过速故障，现场处理发现发电机驱动端测速接近开关失效（故障代码为 335）如下图6。因轴电流灼伤轴承造成发电机振动和噪声非常大，风机长时间运行后会造成编码器故障（故障代码为112、141）并引起机组强烈振动，影响机组运行安全。

图6 轴电流导致测速接近开关失效现象

4 轴电流的防范与解决措施

（1）接地电刷油脂污染及接地碳刷结构问题。该系列电机集电环采用离心式风扇安装于滑环尾端，采用抽风方式进行排灰，但其进风口较小，且由该风扇造成轴承室与集电环室存在风压差，若集电环的风压太低，易造成轴承外盖漏油，目前从现场的情况看，仍然存在漏油的情况，如下图7，由于接地环与轴承外盖靠得很近，一旦漏油，接电环表面形成一层油膜，影响了接地电刷的导通，并且油污进入接地刷盒中造成碳刷卡阻、微动报警开关失效[5]。

图7 接地环油脂污染情况

在这种情况下，轴承对电容性放电的保护将失效，加大接地碳刷接触面积，定期并加强对接地环表面的清污，确保接地碳刷可靠接地。

（2）在前述对该系列发电机非驱动端增大接地环轴向尺寸，加大接地碳刷接触面积时，驱动端增加一组接地电刷见下图 8，使接地更加可靠，改善接地效果，更好地释放积累的电荷，该风电场对一期发电机采用此种方式进行轴电流接地引流，取得一定效果。

图8 驱动端加装接地安装图

（3）对电机的轴电压以及变频器的 du/dt 等进行测试，视情况增加滤波装置，降低共模电压影响；或加装电流保护装置，可以及时报警，能更好地查找故障原因并进行及时处理。

（4）采用离线式或在线式振动分析仪、轴承听诊器等定期对轴承进行监测，争取尽早发现轴承问题，并针对性地进行处理。

（5）定期清理发电机集电环、刷架，避免碳粉沉积降低正负两极绝缘；定期检查发电机转子绝缘，绝缘降低必须立即处理；定期检查发电机各测温、测速、报警开关等绝缘，是否有线头脱落与转轴搭接。

（6）对轴承油脂定期采样，分析油脂成分是否含有金属微粒，并对油脂外观颜色记录，监控轴承温度，视情况对轴承润滑等情况进行调整，注意定期清理轴承废油。

5 结语

采取措施防止形成轴电流回路以及采用轴电流防范措施，防止轴电流对发电机轴承造成损坏及对发电机其他方面的影响，减少发电机故障，为保证机组安全稳定运行具有十分重要的意义。