双馈异步发电机潜在失效模式分析及控制措施研究

武尧尧，余冰

（国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

前言

风力发电是一种很有潜力的可再生能源，随着世界风电产业的快速崛起，中国的风力发电机组技术也在迅速发展。目前主流变速恒频风力发电机组有两种：双馈式感应风力发电机组和直驱式永磁同步风力发电机组。其中双馈式感应风力发电机组大规模应用于国内外不同环境条件的风场。

双馈异步发电机是一种绕线式感应电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一，在整个风力发电机组的国产化比率中占据着举足轻重的地位。

本文以某公司应用于某兆瓦级双馈风力发电机组的双馈异步发电机为研究对象，根据大量风电机组中双馈异步发电机的实际故障案例，分析其关键部件的潜在失效模式，总结故障失效产生原因和导致后果，并提出有效的改进优化方案，保证实施效果。

1 双馈异步发电机基本结构介绍

大型并网双馈风力发电机组的双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，满足机组在不同的风速下实现恒频恒压发电，并满足用电负载和并网的要求。

双馈风力异步发电机主要由电机本体、冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统三大主要部分组成。定子包括机座、定子铁心、定子绕组等。转子包括转子铁心、转子绕组、转轴等。轴承系统包括轴承、端盖、轴承盖等。其中轴承为高品质绝缘轴承或端盖绝缘结构，避免转子变流器供电带来的谐波产生的共模电压引起的轴电流对轴承的损害。滑环-刷架系统是双馈风力发电机的关键部件，转子变流器通过电缆、刷架、电刷及滑环将频率、幅值和时刻变化的三相电流引入转子绕组。滑环安装在电机转轴上，刷架系统安装在滑环室内，电刷安装在刷盒内，通过恒压弹簧压在对应的滑环上[1]。

2 关键部件潜在失效模式及后果分析

双馈异步发电机的某些关键部件的故障或失效会对双馈异步发电机乃至整个风力发电机组产生损害性的影响。

分析风电机组双馈异步发电机关键部件的潜在失效模式及导致后果可以分别为双馈异步发电机的设计过程和制造过程提供纠正措施和更改证明，更有效地降低失效模式造成的风险和损失，降低成本，增加经济效益。

下面分别关于双馈异步发电机的五个关键部分：定转子绝缘结构、轴承、绝缘轴承座或绝缘轴承、滑环、刷架（碳刷）讨论其故障原因和优化改进方式。每个部件分别从部件功能要求、潜在失效模式、产生原因、导致后果等方面分析陈述，并提出现行控制方法和建议实施措施。

2.1 定转子绝缘结构

部件名称：定转子绝缘结构

部件功能要求：实现电机寿命20年可靠运行。

潜在失效模式：定转子匝间绝缘强度不够和对地绝缘强度不够或绝缘匝间击穿而引起电机故障。

产生潜在失效的原因：

（1）发电机定转子的绝缘结构设计不合理或选材不当。

（2）绝缘材料的耐热温度低，耐电强度不够。

（3）工人操作过程中未能保证足够的电压爬电距离和防晕处理。

（4）绝缘处理未控制好绝缘材料的环境性能。

（5）绝缘击穿应从以下两方面分析处理，发电机发生异常情况，短时电压过高；绝缘电阻低，原因为线圈不洁、过热、过潮、环境温度过低和绝缘老化等。

潜在失效导致后果：发生严重电机故障，颠覆性的故障使电机完全失去其功能。

现行控制方法：根据电机的电压等级设计合理而又可靠地绝缘结构；选择符合设计要求的绝缘材料，并选样进行材料热老化和电老化寿命试验；操作时注意爬电距离的控制，避免机械损伤绝缘结构；控制绝缘材料在20-25℃的无尘恒湿的环境里存放。

建议措施：对绝缘结构进行某温度下的寿命设计和电老化寿命试验，确保电机20年寿命功能的实现；保证绝缘材料的存放环境条件；加强操作工人对绝缘材料的理论认识和实际操作技能的培训。

可实施措施：制定相关定转子线圈及嵌线工艺守则及检验依据。

2.2 轴承

部件名称：轴承

部件功能要求：实现发电机定、转子间的连接。

潜在失效模式：轴承与端盖轴承室的装配间隙、轴承与前后轴承盖的装配间隙、轴承油隙的选择、润滑类型的选择、选型不当、碾压疲劳、轴电流等都将使轴承失效，从而对电机的运行带来颠覆性的故障。

产生潜在失效的原因：

（1）轴承内圈与转轴的过盈量太大；轴承外圈与端盖轴承室的配合不当，异物侵入或生锈。

（2）滚动体与内外圈之间的游隙选得较小，在轴承发热时将使得游隙变小，至发生滚道卡死的现象。

（3）轴承选型不当或不正确操作导致过载，造成碾压疲劳。

（4）润滑油选择不当。

（5）电机振动大及装配质量等多方原因。

潜在失效导致后果：

（1）由于轴承配合不当，使得轴承发热，滚动体卡死于轴承内外滚道，不能实现电机旋转，从而不能实现其功能。

（2）轴承过热导致轨道变色和润滑油变质，变质的润滑油在表面沉积。

（3）轴承的碾压疲劳会造成滚子轨道表面被剥离，表面发生剥离后非常粗糙。

（4）电机振动造成摩擦损失和摩擦侵蚀。

以上情况引发故障会导致停机修理，甚至造成电机损坏。从而增加了停机时间，减少了发电量，造成巨大的经济损失。

现行控制方法：

（1）准确计算轴承在极端负荷下发热而引起热变形大小，选择适当的轴承配合公差和滚动体与滚道之间的游隙。

（2）根据负荷类型选择合适的轴承。

（3）根据电机的运行条件选择适应环境条件的润滑脂或油。

（4）加强装配质量的控制，改善配合。建议措施：

（1）对轴承进行寿命计算，确保17500小时的使用寿命。

（2）确保装配轴承的清洁度，不使用不洁净的油清洁轴承配合面。

（3）装配在发热端的轴承宜选用大游隙的类型。

（4）控制尺寸链在设计要求的范围内。

（5）按规范要求进行轴承的采购并进行入库验收，明确轴承的游隙状态及配合尺寸精度。

（6）加强装配质量的控制[2]。

可实施措施：按规范要求进行轴承的采购并进行入库验收，明确轴承的游隙状态及配合尺寸精度；装配车间技能工人进行轴承及维护相关知识的培训，加强装配质量的控制，制定轴承装配工艺守则。

整机送至试验台上做负载运行考核，装配质量，满足轴承发热及机组振动要求。

2.3 绝缘轴承座或绝缘轴承

部件名称：绝缘轴承座或绝缘轴承

部件功能要求：防止由于转子变频电源供电引起的共模电压击穿轴承滚动体与滚道之间的油膜，产生电流流过滚动体，从而使滚道由于电流腐蚀发热，烧坏轴承[3]。

潜在失效模式：共模电压击穿轴承滚动体与滚道之间的油膜产生的电流流过滚动体，从而使滚道由于电流腐蚀发热，烧坏轴承。

分析产生潜在失效的原因：变频电源的高频谐波成分太高；轴承座的绝缘耐电强度不够。

潜在失效导致后果：轴承滚道由于电流腐蚀发热烧坏轴承，使得电机不能正常运行，必须更换轴承才能运行，造成经济损失。

现行控制方法：降低电机谐波的电磁和结构设计；加强轴承座的绝缘强度，保证绝缘电阻达到 200MΩ。加装接地电刷，保证轴电流通过电刷流向地而不通过轴承。

建议措施：加强轴承座的的绝缘强度，保证绝缘电阻达到200MΩ。

可实施措施：装机变频电源供电下进行空载轴电压及负载轴电流的测定并观察轴承发热情况。在电机两端加装接触良好的接地电刷。

2.4 滑环

部件名称：滑环

部件功能要求：实现将转子的电路参数引出至外电路。

潜在失效模式：不能将转子性能参数引出，从而不能实现其功能要求。

产生潜在失效的原因：相环与导电杆的接触导电面不良或断开，引起接触电阻增大从而引起接触发热；另一原因为导电杆与其他相环的绝缘击穿。

潜在失效导致后果：滑环是电接触面，正常运行时会留下电刷的刷痕，滑环的表面质量反映出电刷的运行特性。滑环一旦出现损伤，就必然在与电刷摩擦时产生振动和冲击，既磨损电刷，也加剧滑环损伤[4]。导致电机不能运行或烧毁，不能控制双馈风力发电机。

现行控制方法：测量导电杆与相环的接触电阻，控制在千分级欧姆之内。

建议措施：导电杆与相环之间连接采用过盈穿入，用银焊牢，并保证与相邻相环的绝缘电阻大于500MΩ。测量导电杆与相环的接触电阻满足规范要求，每相阻值均匀，满足不平衡度要求。检查导电杆与相邻相环的绝缘电阻和对地耐压 6500V，1min，绝缘电阻大于500MΩ。

可实施措施：滑环的维护非常重要，建议检查周期为6个月。

如果滑环的径向跳动超差，要求重新打磨滑环，表面粗糙度要求 Rz10。在运行时间约 500h之后滑环表面会出现小刷痕，小刷痕不会影响到滑环的安全性能。如果表面有烧结点，大面积烧伤或烧痕，滑环径向跳动超差，必须重新打磨滑环。

如果出现小污点，需按旋转方向来重磨滑环，此磨具必须与滑环的实际弯曲面一致。尽可能不要磨掉光泽层，磨削时要注意滑环最小直径（初始直径为320mm，最小直径为 310mm）。当滑环直径小于最小直径时，必须更换滑环。

2.5 刷架（碳刷）

部件名称：刷架（碳刷）

部件功能要求：刷架是固定碳刷在刷盒中的稳定支撑，并实现转动滑环与外静止电路的导电通路部件。

潜在失效模式：由于电机振动和环境运行条件的不满足，将会引起滑环表面磨损、不光滑，并引起在滑环表面的导电氧化膜的建立情况不好。

产生潜在失效的原因：碳刷恒压弹簧的压力不均匀和滑环跳动量太；电刷的材质硬度大，从而引起滑环表面损伤，影响滑环表面氧化膜的建立，且加大了碳刷的磨损，从而引起碳刷和滑环表面接触不良；也有可能不能满足滑环的环境工作条件要求。

潜在失效导致后果：拉弧产生相环短路，从而烧坏滑环并熔蚀碳刷，致使电机不能正常运行和实现控制功能。

现行控制方法：控制滑环的径向跳动在要求的范围 0.05mm以内，调整恒压弹簧的压力至一致，保证滑环及碳刷的运行环境条件。

建议措施：控制滑环的径向跳动在要求的范围0.05mm 以内,调整刷架恒压弹簧的压力至一致，保证滑环及碳刷的运行环境条件在60～90℃。

可实施措施：根据整机运行环境，调整滑环室的环境为 40%的湿度和 60～90℃的滑环温度；保证滑环装配后的整体跳动量在 0.05mm以下，并保证恒压弹簧的压力一致。

3 结论

风力发电技术是一项正在不断进步，不断优化完善的产业，所以有许多方面的改进工作需要持续进行。

本文阐述的应用于风力发电机组的双馈异步发电机关键部件的失效模式、后果分析和建议改进措施为产品的设计和制造提供定性的设计指导和安全性、可靠性问题指示。通过对潜在的失效模式和其相关原因产生的消除或减少来避免或减少双馈异步发电机在制造和机组运行过程中潜在的后果，提高运行可靠性。

通过对潜在失效模式及其后果的评估结果，对潜在风险大的情况优先采取技术措施。只有对双馈异步发电机的关键部件的潜在失效风险进行有效可行的控制，才能更集中地使用时间、人力资源和其他资源，避免由此造成部件损坏和经济损失，以保证整个风力发电机组的可靠性运行。

[1] 姚陶生, 贺志学, 贾健, 石永.大功率双馈异步风力发电机技术创新的发展方向[J].电气技术,2009, 08, 65-67.

[2] 苗澍.潜在失效分析在轴承设计中的应用[J].哈尔滨轴承, 2010, 03, 9-10.

[3] 曹秀中.轴承套圈退火过程潜在失效模式及后果分析[J].无锡职业技术学院学报, 2010, 03, 70-72.

[4] 唐德尧, 曾承志, 李合林.双馈风力发电机电刷滑环故障信息分析及维修建议[J].风能, 2010,06,54-56.