发电机轴电流的抑制和释放改造方案

刘 勇

山西华电广灵风力发电有限公司 山西 大同 037000

1 概述

轴承是发电机的重要组件，充分考虑其工作环境要求轴承具有高可靠性和高经济性并存。轴承发生损伤有多种原因，对风力发电机而言，轴电流导致的滚动轴承过电流损伤问题较为显著。为减轻直流电流和低频交流电流的影响，需要对发电机轴电流的抑制和释放进行优化改造措施。防止轴电流对发电机各轴承造成损坏，确保发电机组安全运行。

2 原因分析

轴承的失效形式主要包括疲劳、磨损、腐蚀、电蚀磨损、塑性变形及裂痕，每种失效模式对应其产身的原因。目前风电机组轴承失效的主要原因有以下几种：

2.1 发电机轴电流强度高 目前双馈型风力发电机多采用两电平电压型双PWM变频器，且均采用IGBT作为其功率元件。IGBT的电压变化率很大，一般超过3000V/us，会对电机绝缘产生强烈的冲击作用。两电平电压源PWM式变频器的三相瞬态输出之和不为零，存在较高的共模电压。对于双馈型风力发电系统，机侧与网侧变频器各自产生的共模电压均会在轴上感应出电压。轴与地导通就会释放电流，消除轴静电压。一般认为，足以引起轴电流损伤的电压在20V以上，典型的轴承损伤电压在30V到100V之间。

正常情况下，轴承的滚珠与滚道间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。但当轴电压超过油膜能承受的击穿电压时，轴承将产生放电，产生轴电流。轴电流将从轴承的滚珠和滚道的接触点通过，当通过接触面的轴电流密度超过0.2A每平方厘米时，就可能对轴承产生电蚀。

可以使用万用表检测轴电流与轴电压。也可以使用示波器查看轴电压情况。可以反映出发电机轴对地放电的程度。电流过大电压过高，预示着对轴承的电腐蚀越强。

2.2 发电机接地系统问题 发电机的接地系统主要是集电环的接地。集电环接地电刷造成滑环或接地环表面接触面积太小(要求≥80%)，或仅局部接触，造成通过电流急剧增大，使滑环或接地环表面产生电蚀，即出现点蚀或小坑，使滑环或接地环表面变得粗糙，严重地破坏了表面的氧化膜，使得电刷磨损变快。同时粗糙的表面也使得电刷的接触面积变得更小，如此恶性循环，表面会越来越粗糙，电刷会磨损越来越快。

集电环接地效果不断恶化，轴电压就会找新的出路来释放，造成轴承的电蚀，最终会导致轴承失效。

2.3 检查轴承是否存在损伤 检查轴承是否存在方法主要是听轴承的运转声音是否平滑，检测发电机运转时的振动是否超标。

检查轴承润滑是否充分。轴承润滑不充分主要是润滑油加注不及时，目前发电机一般都采用自动润滑。所以要检查自动润滑系统运转是否正常。还有一个原因就是润滑油失效，在排除润滑油本身的问题后，在风电上引起润滑油失效的原因是轴电流引起的润滑油碳化。

如果轴承润滑不充分，轴承在运转过程中，就会出现温度升高，

2.4 发电机不对中问题 用激光对中仪检查发电机是否存在不对中问题。如果发电机对中达不到要求，发电机在运转过程中就会对发电机轴承施加额外的载荷。轴承在额外载荷的作用下会产生高温。高温不仅会加快润滑油的失效，使润滑效果恶化，而且会使轴承内圈受热后材料软化与滚动体相互作用形成凹坑；同时内圈发生膨胀，与转轴发生相对运动产生高温造成轴承烧死粘合。

3 改造方案

针对以上原因，我们提出针对发电机轴电流优化改造措施分为两部分：

1)抑制发电机轴电流产生，即使用共模扼流圈抑制机侧与网侧变频器各自产生的共模电压；

2)释放发电机轴电流，即采取发电机多点接地的方式，将已生成的轴电流释放到地电位，避免对轴承产生电蚀。

3.1 加装共模扼流圈抑制共模电压

3.1.1 共模扼流圈的原理 为了达到有效的抑制轴承电压电流，减少破坏，避免高的维护，维修，更换成本，减少停机周期。使用共模扼流圈，中间穿过变流器输出端的电缆线是一种十分有效的解决办法。如下图所示：

这种方法显著的提高了电机的轴承服务寿命，大大的降低了日后的维护成本，减少了电机的停机周期。最重要的是，我们必须保证所用的共模扼流圈能承受实际的轴承电压电流(共模电流，不平衡电流)，即在不平衡电流下工作不能饱和，尤其是当他们用在大功率的变频器系统中的时候。

3.1.2 共模扼流圈的安装 由于变流器是所有共模电流/电压产生的根源，所有需要将磁芯安装靠近变流器的位置，若是现场的线缆长度超过30米，考虑到线缆的分布参数特性，建议在电机侧也加装少量的磁芯，以消除电缆的分布效应。

将多个尺寸合适的叠加在一起(可按实际结构情况固定)，中间穿过变频器输出端的电缆线，这是一种十分有效的解决办法。在这种结构中，共模扼流圈起共模电感的作用。

3.1.3 安装效果测试 以下示波器波形为某风力发电机组在满载的情况下，分别测试共模扼流圈加装之前和加装之后的效果。

共模电流变化对比，左图为初始共模电流，共模电流达到47A，右图为加装滤波扼流圈的波形，共模电流为24A，幅值降低23A，49%以上变化，并且寄生高频毛刺明显减小。下表为测试效果对比：

项目序号共模电流(A)峰峰 最大 均方根初始数据 46.4 22.2 4.94增加扼流圈后 24.8 14.0 3.14

通过测试对比结果可以明显看出，共模扼流圈对抑制共模电流有明显作用。

3.1.4 共模扼流圈的特点

1)高饱和磁感应强度，不容易饱和，适用于各类环境；

2)高初始导磁率，则意味着高阻抗，抑制效果好；

3)良好的温度稳定性，工作范围在-40℃-180℃，性能稳定，适合各类环境；

4)免维护，一旦安装上去，后期无需维护，更换；

5)性价比高，优质的品质，优异的效果，较低的价格；

3.2 加装发电机多点接地释放轴电流

3.2.1 发电机多点接地的原理 在检查确认电机滑环室内接地连接可靠的前提下，增加输入端接地措施，从而提升接地可靠性。原理及效果图如下图所示：

3.2.2 发电机多点接地安装 由于兆瓦级风电机组其双馈异步发电机外形机构及工作原理基本一致，下面以天元发电机为例，具体改造方法如下：

1)在发电机驱动端轴上固定表面光滑的接地环，使其与发电机轴紧密接触且牢靠。

2)在发电机驱动轴端盖上安装接地刷架，并将碳刷报警接线串联到定子接线盒中的集电环碳刷报警回路中，如下图所示：

3)将接地刷架的接地线围绕电机引到非驱动端，如下图所示：

4)将接地线接到非驱动端集电环地环地线上通过转子接线盒导出，如下图所示：

3.2.3 安装效果测试 下图为在电机厂家进行多点接地改造后的测试现场

下图为传动端不接刷时的轴电压及轴电流。

下图为传动端接刷时的轴电压及轴电流。

1通道 传动端轴对传动端轴承盖螺栓的轴电压

2通道 传动端轴对非传动端接地块的电压

3通道 传动端轴电流

4通道 非传动端轴电流

从两图对比来看：多点接地对释放轴电压有明显的效果。