风电场双馈风力发电机异常振动故障及排除措施

邓亦峰

（国电电力湖南新能源开发有限公司，长沙 410000）

0 引言

发电机是风电机组中的核心部件，对于风电机组的安全运行有重要的影响。由于风电机组是在露天环境下运行，发电机设备部件受外界恶劣环境影响易发生故障。其中，异常振动故障在发电机故障中比较常见。目前在风力发电机组中双馈风力发电机的应用比较广泛，但由于其运行环境复杂且机组载荷多变，容易产生异常振动，异常振动会破坏电机的运行稳定性，振动过大的话还有可能导致发电机零部件损坏、主轴弯曲等，甚至可能引发大轴断裂、电机飞车等严重故障，影响风电场的安全生产[1]。因此，分析双馈风力发电机异常振动的主要原因，并采取科学的措施减少其异常振动情况，对于提高风电机组的运行稳定性具有重要的意义。

1 风电场中双馈风力发电机概述

双馈风力发电机主要由定子、转子、滑环、编码器、润滑系统等组成，发电机整体为箱式结构，一般采用空-水冷方式冷却。定子绕组和电网相连，可以直接向电网发电，转子绕组通过变频器和电网相连，变频器可以调节转子绕组电源的频率、相位等，让机组在不同转速下实现恒频发电。该发电机只需要调节转子的功率进行变频调节，转子的功率比较小，因此，变频损耗小，可靠性强，而且发电机在变速运转时发出的电高频谐波含量低，可以实现对风能的充分利用。风电机组中的双馈发电机由于其工作环境特殊，因此其安装、运行方式等和传统行业发电机有明显的区别。传统行业的发电机通常都是刚性安装，而且运行的功率和转速都在额定范围内。风力发电机的动力源是风能，风向、风速的变化会让机组载荷经常发生变化，而且机组的构成复杂，不同部件之间相互影响。因此，发电机在安装上有特殊要求。在实际安装过程中，低速轴安装要略向上倾斜5°或6°，这样是为了避免较大风速载荷作用下叶片和塔筒相撞，低速轴倾斜安装导致整机传动链部件的安装位置发生改变[2]。发电机通过弹性支撑（一般为金属和橡胶组合的材料）来固定在支架上，这样能降低机架、发电机以及其它部件间的相互振动，起到减振作用。

2 双馈发电机常见的异常振动故障及排除措施

2.1 对中不良引起的振动

风电机组的部件多，传动链长，容易出现对中不良，对中不良的主要原因有加工误差、部件变形、安装不当、工况变化等。加工精度是对中的基础，但实际上部件的加工精度很难达到精度要求。因此，加工误差无法避免。部件变形主要发生在齿轮箱和发电机的弹性支撑中，支撑件的材料一样，强度一致，但是由于外界环境影响，支撑件的变形和老化现象不能完全一致，也就导致齿轮箱和发电机轴不对中[3]。在实际运行中，齿轮箱与发电机间机械能到电能的转换是通过联轴器来实现的，联轴器的工况对发电机的正常运行有重要的影响。由于运行中风电机组转速及载荷一直处于不断变化的情况下，发电机及联轴器的固定螺栓易出现松动，引起发电机与齿轮箱出现对中不良，主要表现为平行不对中。联轴器的刚度越大，产生的不对中载荷也就越大，而且联轴器受力大小和发电机的载荷成正比例关系，发电机每次旋转都会让联轴器的应力发生一次交变，引起轴向或者是径向的振动。从振动频谱来看，出现不对中后振动频率为转子的2倍频或更高倍频，更为严重时会出现1/2倍频、1/3倍频等，从而导致发电机轴承振动异常，载荷变化，严重的话还会出现轴承局部磨损等情况。

排除措施：发电机安装过程中，要严格按照安装标准进行，并做好防松动标识。机组设计中，要贯彻轴系良好对中的技术规范，另外，在发电机和齿轮箱之间使用柔性联轴器可以降低不对中的影响。在日常维护中，要定期紧固联轴器及发电机固定螺栓，防止出现松动情况，并检查发电机的对中情况，提高对中精度。

2.2 转子不平衡导致的振动

转子不平衡的主要原因是转子的质心和其轴心存在偏心距，当转子围绕定轴旋转时，就会产生一个离心惯性力。随着转子的转动，偏心距方向不断变化，离心力方向也就跟着变化，循环变化的离心力作用到支撑件上就会产生异常振动[4]。离心力的大小和转子的质量分布有密切关系，质量分布越不均衡，产生的离心力就会越大，而且离心力会随着转子转速的增加而增大，振动频率为转子的回转频率或倍频，有明显的转频或倍频信号。此外，转子热态不平衡也会导致异常振动，主要是转子线圈局部短路、线圈和线槽间的热阻差别等导致的转子受热不均，出现转子热态不平衡。

排除措施：转子动平衡的模拟转速尽可能达到其最大转速，如果条件不允许，动平衡转速可取1000r/min，因为通常双馈风电机年总载荷时间内有将近40%的运行时间是在低速、小功率（930 r/min～1300 r/min）情况下运行，确保这个转速内振动要小。进行低速动平衡后的转子系统中残余不平衡量在转子高速运转时有可能产生离心力，因此需要对转子所有部件都进行动平衡。为消除转子热态不平衡现象，在确保转子线圈良好的情况下，通常采用附带外风扇动平衡工艺的方式，如果是大功率电机，除提高转子平衡精度外，还要确保电机底脚面和基础面吻合良好，减少引发发电机异常振动的不利因素[5]。

2.3 定子异常产生的电磁振动

通常情况下，发电机工作时间越长，其发生异常振动的概率越大，主要是随着发电机运行时间的增加，轴承的磨损会加剧，游隙也会增大，紧固件也会出现松动，从而引发轴扰度增加。发电机的这种振动变化是长时间运行导致的，是一个缓慢变化的过程。定子异常导致的磁振动是一种突然性的振动，在较短的时间内振幅有明显的变化，而且伴随有较大的噪声（啸叫声），与发电机长周期运行出现的振动有很大差别。出现定子异常的主要原因是定子绕组突发性的短路或断路、电网三相电压不平衡、重要紧固件突然松动等。此外，定子热变形也会导致发电机异常振动，主要是由于摩擦和热冲击等故障因素会让定子铁心表面受热不均，出现热变形，导致电机整体平衡被打破，出现振动超标。

排除措施：定期检查定子绕组，同时校核转子铜排强度，紧固发电机关键部位的紧固件，包括电机地脚螺栓和机座上的端盖螺栓等，减少引发异常振动的因素。此外，定子在焊接或机械加工过程中，要重视其应力作用，做好热处理工作，防止其产生热变形[6]。

2.4 安装不当引发的振动

从大量的振动测试中得出，安装方式对双馈风力发电机的振动有很大的影响。通常情况下，发电机出厂前都要进行振动测试，合格后才可出厂，这说明电机设计在出厂前振动测试是符合运行要求的，但是部分发电机安装后存在振动超标的现象，这就需要从后续的安装使用过程排查故障。不少风电场都存在发电机安装不当引发异常振动的情况，主要是因为机座与台板接触不良，机座的底部垫铁松动或受力不均，基础钢板厚度不够，底架结构的刚度不符合运行要求，焊接件的热应力处理不充分等，引发异常振动。

处理措施：安装时，要确保电机基础面清洁，底脚与基础面基础良好。连接螺栓严格按照运行要求进行紧固；适当增加支撑筋板的数量；电机安装的找正值要控制在0.03mm以内；联轴器与电机之间的连接要牢固。另外，由于风电机组的工作转速范围大，加上弹性支撑的承载能力限制，共振现象不可避免。因此，采取有效的措施降低共振对发电机的影响也是减少不良振动的重要方面。减少共振一是要改变系统的固有频率，可以从优化弹性支撑方面入手，振动测试证明，适当降低弹性支撑的刚度可以减少共振；二是要改变共振区工作状态，通过提高或降低转速来减少发电机在共振区的运行时间，同时通过增加系统阻尼的方式来抑制共振区振幅[7]。

故障实例：某风电场1台电机抱轴，故障前曾有强烈振动现象。现场发现电机的底架及撑板不仅数量少，而且厚度不足20mm，安装找正值偏大，在0.06mm左右。经过现场仔细检查后，初步判断为安装不当导致的异常振动，检修人员将机座进行加固处理，增加了撑板数量，增大接触面积，并降低找正值后，振动符合要求。

2.5 发电机轴承损坏引发的振动

轴承是双馈风力发电机中的重要部件，对于发电机的运行有很大影响。在实际运行中，由于风电场环境及发电机组载荷变化影响，轴承会由于润滑不良、润滑失效、负载过重等原因出现磨损、锈蚀、过热、电蚀、表面剥落等故障，引发异常振动。

排除措施：定期对轴承润滑油品质进行检查。日常维护中，可以通过观察集油盒中废油脂的状态来判断润滑油缺脂或溢脂情况，有无变色发黑现象等。更换润滑油时要选择抗氧化及防腐蚀性能好的润滑油。通过在线监测系统对轴承的温度、异响等情况进行监测，根据轴承外套、内套、滚珠等不同部位特征频率不同的特性，利用频谱分析来诊断轴承的运行情况，发现异常后及时处理[8]。

故障实例：某风电场1号电机通过CMS在线监测发现发电机异常振动现象。机组维护人员检查发电机与机架的连接处，未发现有松动现象，之后观察发电机的振动频率信号，无2倍频、高倍频信号出现，基本排除发电机与齿轮箱不对中、转子不平衡导致的振动异常情况。在排查轴承运行情况时，维护人员通过观察集油盒，并无发现缺脂或多脂情况，该发电机润滑油中添加了特殊锂皂基，具有很好的抗氧化性能，更换时间不超过4个月，品质良好，而且发电机前后轴承盖上的温度传感器未发现过温情况，判定轴承发生异常振动前并不存在润滑不良或过载荷现象。维护人员通过进一步检查，判定是振动传感器导致发电机轴承系统对地绝缘失效，导致发电机感应轴电流击穿较薄的油膜，使轴承出现电蚀情况引起的振动。为了验证判定结果，检修人员将发电机拆解后，对其内外圈进行分离、擦拭，发现轴承内、外滚道表面色泽发暗且有明显的搓衣板状纹，轴承出现损伤，引发异常振动，证实是由于轴承电蚀导致的发电机振动异常，进行部件更换后异常振动消除。

2.6 零部件配合不当引发的振动

一般情况下，发电机在空载振动测试合格，但是往往在热态时振动就会加剧，主要原因与零部件的配合选择有关系。发电机各部件的组成材料不同，不同材料受热后的形变不一样，会导致零部件间的间隙出现松动情况，产生振动，比如轴承与轴的配合、转子与轴的配合如果间隙不当，就会因受热后的形变差异出现配合间隙松动情况，产生微隙振动[9]。因此，轴承与轴之间配合的过盈量应该大于不同材质因温度变化带来的热膨胀差异。

3 结束语

随着双馈风力发电机设计及制造技术的不断成熟完善，由于设备自身因素引发的发电机异常振动故障越来越少，但由于风电机组在露天环境下运行，受温湿度、雷电、灰尘、风力大小等因素影响，异常振动故障仍然存在。在实际中，异常振动往往不是独立因素导致，而是多个因素相互作用的结果，给故障的排查带来诸多困难。因此，发电机异常振动故障的排查不仅需要检修维护人员有丰富的故障诊断经验，还需要借助先进的监测技术和仪器仪表提取和分析故障特征，判断引发故障的原因，采取科学的措施在较短时间内排除故障，并利用预防手段降低此类故障的发生，延长机组设备的使用寿命，提高风电场效益。