风力发电机轴电流抑制探讨

李志刚

（国华（河北）新能源有限公司，河北张家口 076650）

0 引言

中国新能源战略开始将大力发展风能源作为重点。风力发电等新能源发电行业的发展具有十分广阔的前景。未来，风力发电必将保持高速发展的态势，其盈利能力也将随着技术的逐渐成熟而快速提升。目前阶段的风力发电发展状况，其性价比正在或即将形成与火电、水电的竞争优势。风力发电的发展优势主要表现在：发电能力每增加1倍，发电成本就下降约15%左右。随着中国国产化风电装机的增加和风力发电技术的不断革新，风力发电的成本会逐步下降。

风电的迅猛发展使得机组大部件故障处理成为一个难题。某区域风电场共安装SL1500机组106台，于2010年8月并网发电。SL1500风电机组发电机故障一直是该机组常见的重大故障，现象为转子振动较大进而出现转子轴与转子铁芯滑动、转子断相等故障。初步分析主要原因为发电机轴电流过大导致的发电机轴承失效，轴承失效后发电机振动加大，逐步出现发电机转子铁芯松动，发电机绕组开裂、断相。

发电机轴承问题是SL1500系列风力发电机组电气方面最为突出的一个问题，而轴电流是导致发电机轴承损坏的主要原因。由于发电机定子铁芯组装工程中形成的合缝、定子硅钢片安装形成的合缝、定子与转子之间空气间隙不均匀等，在发电机正常运行期间就会造成发电机的磁路往往不对称，发电机转轴在这种不对称的磁场中旋转，就会形成轴电流、轴电压。由于发电机转子和轴承、大地所构成的回路阻抗很小，轴电流密度超过0.2 A/cm2，就可能形成很大的轴电流，会对轴承造成击穿放电和电击侵蚀[1]，同时使轴承的润滑油脂加速劣化、油膜层被破坏、轴承失效。轴承失效后导致发电机振动变大、发电机转子环断裂，振动持续增大更会导致发电机转子轴与铁芯松动，进一步扩大隐患，导致事故发生。为避免事故发生，本文研究和探讨防止轴电压、轴电流的危害，探索研究将发电机轴承前、后端盖进行绝缘处理，驱动端加装接地装置，采用该种方法能够有效解决发电机轴电流问题，很大程度提高风机的可利用率。

收集整理尚义地区风电场的SL1500风电机组历史运行数据进行分析，查看发电机运行的温度变化曲线，几乎所有的轴承故障在现场均表现为发电机振动大、噪声大。部分机组因轴电流加大，出现发电机前后轴承保护罩间弱的放电现象。在维修过程中，发电机解体后细微检查发电机电气状况，可以直观发现发电机轴承损坏体现为轴承内圈外滚道有搓衣板纹、轴承外圈内部滚道上有搓衣板纹，有时轴承内外圈之间及滚球本体上有内表面发黑、掉屑现象，发电机轴承内外滚动体表面形成了许多微小密集的点坑，轴承滚动体表面呈现黑色状，这完全符合轴承电腐蚀的特征。

1 风力发电机轴电流的形成及轴承损坏的细微分析

1.1 油脂的积累老化对轴承的影响

依据现行的风力发电机的维护标准，每6个月进行1次轴承润滑维护，只是注入少量、定量的润滑脂，轴承内旧的润滑脂只靠轴承的自行运转来挤出，收集在集油槽中。这样，废旧油脂会有很大部分残留在轴承内，时间长会形成酸性物质对轴承造成一定的腐蚀。同时酸性物质会更容易积累电荷形成电势，甚至在绕组输入端接近端口部分使电势高度集中，或大或小的电势以轴电流的形式作用在轴承上，长时间频繁发生会对轴承形成损伤，这也是轴承失效的一个重要原因。

1.2 磁力的作用使轴承面发生老化

风力发电机组多使用双馈异步发电机，在发电机正常运行时，发电机的定转子处在正弦交变磁场中。由于发电机定子、转子扇形冲片和硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽通风孔等的存在，定转子扇形冲压片叠装后接缝的不对称性、硅钢片碾压方向不同造成导磁率的不同、铁心槽和通风孔的存在以及安装的工艺使磁通不平衡等原因，这种不平衡产生不平衡的磁阻和不平衡的磁力，逐渐地浸蚀轴承主体表面的材质，在长期的发热、磁力、振动等多种因素的作用下使发电机的轴承内外面发生变化，日积月累形成类似于老化的材质变化。在轴承的运行前期，轴电流也许会很小，但随着轴承的磁化，尤其集中在轴承的内外表面，轴电流就会变大。当轴电流变大就会进一步地加重轴承的劣化，形成恶性循环地加速轴承损坏的过程[2]。

1.3 发电机对中工艺对轴承的影响

风力发电机在正常运行过程中，发电机的输入轴与齿轮箱的输出轴应该在1条直线，现行的维护标准也是每1年进行1次校准，但依照风电设备多、对中校准对天气的要求高这些特点，风电场在计划性工作周期内要全面完成所有任务，人员、校正设备等多重因素综合决定了对中结果的差异性，在校正发电机位置发生偏差时会影响发电机轴承的使用寿命，主要明显地体现在轴承损坏的后期发展阶段，对中工艺的不到位对轴承损坏起到推波助澜的作用。

1.4 发电机前后端盖的绝缘性影响

过去几年，1.5 MW风力发电机的前后端盖大部分是非绝缘端盖。为了消除轴电流对轴承的腐蚀作用，使用的轴承为绝缘轴承，绝缘轴承的绝缘层易损，油脂老化后形成酸性物质包围在轴承的四围，使得轴承的绝缘性能下降。从发电机轴到轴承外圈的绝缘层较薄，虽然可起到一定的绝缘作用，但不能很好地全面杜绝轴电流。当发电机端盖是绝缘端盖时，不仅增大绝缘距离，而且几乎不受油脂侵蚀，油脂老化后形成的酸性物质腐蚀不到发电机端盖绝缘部位，在一定程度上很好地起到绝缘作用。

2 抑制双馈发电机轴电流的方法

风力发电机组的发电机轴承采用油脂润滑，发电机轴束缚在轴承内圈，轴承沉在润滑脂内。正常情况下，轴承内圈与轴承外圈间的润滑油膜起到绝缘作用。对于发电机产生的较低轴电压，因油脂绝缘作用不会产生轴电流。当发电机轴电压增加到一定数值时，尤其在风力发电机停机再启动时，润滑油膜还未充分形成，轴电压将放电击穿油膜后与大地构成回路，产生很大的泄漏轴电流，有时可达到几百安甚至上千安。由于轴承滚球金属凸面接触面很小，电流密度相对较大，使轴承局部点状烧熔，被烧熔的轴承表面合金在辗轧力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上形成小凹坑（俗称搓衣板纹）。通常表现出的明显症状是轴承外圈内表面、轴承内圈外表面及保持架上被压出条状电弧伤痕，严重时足以把轴颈和轴瓦损坏。由于轴承运行时会因摩擦在转轴上产生静电荷，转轴因被静电荷充电使电位升高。当运行的转轴接触到旋转体以外的任何部件时，便要通过该部件对地进行放电，否则就要继续积累静电荷，最后产生过高的轴电压。如果轴电压超出轴承油膜的绝缘强度，积累的电荷就会在极短的时间内放电。这种现象重复发生，就是轴承受到损伤的主要原因。在轴承研究领域的许多分析，轴承厂家曾针对上述问题进行过详细的分析与判断，搓衣板纹的产生主要由高频谐波产生的轴电压击穿轴承内表面绝缘镀层，频繁的瞬间对地进行极具放电所导致，该类问题是双馈异步发电机共同存在的典型问题之一。为此，多家公司设计并推荐使用陶瓷球轴承，但因为成本过高导致该设计一直没能大范围推广[3]。另外，轴承滚道剥落、轴承保持架断裂等问题，分别是由于润滑不足、发电机对中不符合要求、转子平衡精度不够、轴承安装时不规范等诸多因素导致，将会大大缩短风力发电机轴承的使用寿命。

某区域风电场在经多方论证，结合多方建议的情况下，针对上述发电机轴电流治理办法，提出了可行性轴电流治理方法。首先，从轴电流的疏导上开通更好的泄流回路，结合发电机外壳结构设计，采取发电机多点接地的形式，及时疏导发电机轴电流；其次，从设计中提升定转子间绝缘等级，达到甚至优于陶瓷球轴承的效果。在检查确认发电机滑环室内接地连接可靠的前提下，在发电机输入端增加接地办法，从而提升接地可靠性[4]。绝缘端盖的技改方案是在接地疏导轴电流的同时，从技术上和设计上将设备绝缘点转移，不再和油脂的储存点进行交叉，进一步提升绝缘等级和可靠性。一般在后期改造中，发电机绝缘端盖实现整体耐交流电压不低于4 000 V/1 min。

3 发电机轴承、端盖更换技术要求

绝缘端盖形式须为绝缘体嵌入式，绝缘端盖的机械强度满足所承受的压力，不会造成破裂而导致绝缘失效，同时保证各安装孔位的精度。绝缘端盖绝缘等级达到H级，同时有国家风电领域权威机构的检验报告。绝缘端盖的机械强度、精度、绝缘等级等各项技术要求须出具合格的检验报告，各项试验数据要具有中国风电产品认证资质的鉴定确认。发电机轴承更换需使用专业且合格的工器具，发电机轴承更换过程中注意保持作业现场卫生清洁，做好废油脂的清理回收，工器具摆放合理，作业人员安全防护用品合格齐备，同时做好人员正确的安全防护。拆除发电机联轴器、电缆保护软管、轴承PT100、自动注油管、手动注油管、废油脂收集槽、盖板、排风道、集电环、编码器等相关附件时应做好相应的保护，小心放置，避免磕碰，防止损伤、丢失相关拆卸的附件。使用阻燃型环保清洗剂清洗风扇挡圈、风扇罩、锁紧用圆螺母及垫圈、外密封环、轴承外盖、端盖、轴承内盖、内密封环等相关附件，保证附件清洁。使用工装拆卸密封环、轴承时必须清理转轴配合面，确保转轴配合表面干净无杂质，避免发电机主轴拉伤。在拆卸发电机轴承过程中注意保护轴承室、轴承内外圈部位不得碰伤。装配新轴承工作人员的手套必须保持清洁，避免污染轴承及其润滑油。新轴承装配后须注入适量新油脂，轴承安装方向应正确。轴承安装过程中因使用方法的不同会产生一定的过盈量，在风机塔上检修时最好采用油浸式加热或感应器加热轴承方法来安装，加热温度范围一般为均匀受热80～100℃为宜；当使用油浸式加热时，油温最高不能超过120℃。发电机端盖安装方向与拆卸前一致。螺栓需重新涂抹适量锁固剂，对称交错紧固，紧固力矩，画紧固标记。发电机内部严禁遗落工器具、杂物，安装所有外部连接线路（包括转子接线盒、编码器）及发电机相关附件时在发电机转子接线盒及集电环室严禁遗落工器具、杂物等。作业结束后检查发电机运行是否正常。

4 接地装置安装技术要求

在发电机接地碳刷的选用上，最好使用知名品牌碳刷，规格40 mm×20 mm×100 mm。刷握端面与接地环之间的间隙满足规定2～3 mm要求；安装电刷与刷握间隙满足规定0.1～0.3 mm要求；接地环材质使用201不锈钢材质。接地电刷与接地环接触可靠，接触面积不低于80%，接地支架固定在径向端盖绝缘层的外侧。安装接地碳刷刷架及其线路，将接地碳刷监测信号接入原发电机碳刷监测回路中。安装完毕后触发碳刷监测微动开关，测试反馈信号正确输入[5]。

5 发电机对中校核

在前述更换安装工作完成后进行发电机的对中工作。首先，所使用对中仪器合格，具有出厂精度检验合格证明或年度检验合格证明。其次，对中过程中需至少3人进行，风速超过6m/s，不得进行发电机对中工作。确认叶片处于顺桨状态，测试能否手动盘车。用200～800 N·m力矩扳手将力矩值调至800 N·m，紧固发电机4个地角螺栓；用60～200 N·m力矩扳手将力矩值调至190 N·m，紧固发电机减震块（弹性支撑）上的螺栓。水平、垂直对中精度达到位移偏差小于0.5 mm，角度偏差小于0.02/100。

6 结束语

发电机属于风力发电机组的重要组成部分，发电机的性能直接决定风力发电机组的使用效率和使用寿命，发电机的故障率严重影响风力发电机组的可利用率，同时关系到风电场的经济效益。因此，发电机组的技改治理对风力发电机组具有重要的影响。通过以上介绍的方法按照工艺要求，综合对风力发电机组的发电机进行技术处理后，发电机的轴电流会被抑制，变得很小或微乎其微，对发电机轴电流的产生起到明显的抑制作用，且对发电机不构成危害。某区域风电场在2016年通过该种方法对风电场内60台发电机进行技改，通过近3年的现场实践证明，该种技改方法切实可行，对风电机轴电流的防范效果好。经过以上方法处理后的风力发电机组，故障次数明显减少，机组发生故障时间明显缩短，实际可利用小时提升100 h左右，节约了很大的生产成本和人工成本，创造了可观的经济效益。

因此，现场检修员工对发电机进行技术改造的前提是对发电机结构进行严谨地科学研究，对现场设备的实际运行数据及实际运行特征进行分析。只有充分掌握发电机的运行特点，充分分析故障原因，才能得出安全适用、经济合理、技术先进的技术改造方法，使发电机的技术改造产生真正的效果。