双馈式风电机组发电机轴承故障探析

2020-12-28 01:09李明
科学导报·学术 2020年51期

李明

【摘 要】社会进步迅速,风力发电机组通过风轮转换风力发电,风轮和发电机连接转动的核心部件是轴承,作为转动部件,轴承的润滑要求很高,需要定期加注油脂润滑.目前主要使用自动加脂泵对轴承进行自动注脂润滑,但这种简单的润滑方式可靠性不高,特别是冬季气温低时,不能有效地对轴承进行油脂加注,影响了轴承部件的润滑,加速了轴承部件的磨损,降低了风力发电机组整机的可靠性.我国几大风机厂家的风机均出现过油脂堵塞问题,油脂被堵在管道及阀体中,引起轴承润滑不良甚至引发故障.因此,对风力发电机组轴承润滑系统进行研究,开发新的润滑系统具有迫切的现实需要.

【关键词】双馈式风电机组;发电机轴承;故障探析

引言

在科学技术不断发展的背景下,近年来制造风电机组的企业也提升了制造水平,轴承是发电机中的核心零部件,但是由于其所处的自然环境较为恶劣,再加上设备长时间处于工作状态,因此,风电机组的轴承经常出现故障,从而影响发电机的整体性能。本文基于某风电场的双馈式发电机进行研究,分析轴承故障的具体原因,并提出相应的解决建议。

1造成双馈式风电机组轴承故障的原因分析

1.1轴承电腐蚀问题

在分析双馈式风电机组故障时发现,电腐蚀问题经常导致轴承发生故障,即电流流过轴承的问题经常出现,由于在电机运行中,定、转子磁路中或围绕轴的相电流中的任何不平衡都能产生旋转系统磁链,因此当轴旋转时,这些磁链能在轴两端产生电位差,也就是轴电压,其在通过两端轴承形成的闭合电路中会激励出循环电流,该电流也就是轴电流。另外,转子铁心的剩磁较多,对于绕线转子电机而言,如果发生绕组两点或者以上对转子铁心或转轴短路等,也会产生轴电压和轴电流,与此同时轴承电流的大小與电机的结构、电机的功率、驱动电压的幅度、脉冲上升时间、电缆长度等因素均有关。电机的功率越大、驱动电压越高、驱动电压的上升沿越陡、电缆越短,则轴承电流越大。通常来说,造成轴承过电的主要原因有静电放电、轴承磁场不对称以及共模电压与电压脉冲之间切换迅速等,在实际运行中,轴承电腐蚀往往是由一个滚道流向另一滚道时,而电腐蚀造成的破坏性与放电能量以及持续时间有关,但是造成的破坏效果基本保持一致。例如,在滚动体与滚道上产生微小电腐蚀凹坑、或者是润滑失效等问题。轴承磨损问题。

1.2轴承磨损问题

轴承是机械设备中的核心冷部件,轴承故障可能是由多种因素引起的,如轴承的超负荷运行、轴承的安装及拆卸不规范等,在对上述风场轴承的更换数据进行分析后发现,80%发生故障的轴承,其外圈滚子上均出现了不同程度的磨损。由此可以看出,轴承磨损已经成为导致轴承失效的重要原因。

1.3轴承润滑问题

由于风电机组通常在潮湿、高温、严寒以及盐雾等自然环境较为恶劣的条件下工作,因此经常导致发动机出现故障,但是在分析风场发动机故障时发现,由于发动机轴承的排油孔设计不科学,也经常会致使发动机出现故障,因此工作人员应该加强对轴承润滑工作的重视,严格按照轴承的维护手册对其进行保养,最大限度减少轴承故障,从而提升发电机组的安全性和稳定性。

2风机发电机日常运行管理情况分析

2.1风机发电机润滑油脂使用情况分析

该类型风机为首批高原型双馈异步风力发电机组,使用环境在海拔2800~3500m,受高原气候和地理环境因素的影响,发电机润滑油脂的运行性能和电气绝缘性能发生一定的变化。使用于低海拔地区的美孚SHC100的润滑油脂在该批次风机上出现散热不良、油脂排油不畅、油脂板结和质变的情况。油脂的这种情况造成发电机轴承、转轴运行期间的温度逐渐升高,造成轴承与转轴表面高温氧化,当电机轴承受偏载、振动、载荷突变等综合因素的影响,表面上发生蠕动或者爬行时,会进一步磨损氧化颗粒物,腐蚀、感染油脂,加剧转轴和轴承磨损。由于轴承内圈硬度为发电机转轴硬度2倍以上,一般最先出现的是转轴损伤,其次为轴承损伤。

2.2风机发电对转子绕组供电的影响

风机发电机主要通过接地碳刷来引导轴电流接地,因此必须使用厂家规定的发电机正品碳刷,巡检和定期项目中列入检查碳刷支架、压簧弹性、微动开关灵敏度。发现碳刷磨损至原来的2/3时及时更换,避免碳刷更换不及时造成轴电流过大,损伤轴承。风电机组变频器采用PWM调制方式,功率器件在快速开关时不可避免地产生电压尖峰,该尖峰的电压变化率(dv/dt)极高,可超过1500V/μs,该尖峰电压对应的频率约为1MHz,可以轻易地通过传动系统的寄生电容、寄生电感耦合至电机的轴,再传导至轴承的内圈,击穿油膜后传导至轴承外圈,并与大地形成回路,产生高频轴承电流。由于油膜被高频轴电压击穿时,击穿点面积非常小,致使电流密度非常大,在击穿点局部产生极高的温度,使其金属分子熔融或直接蒸发。如此长期逐渐积累,在轴承上形成肉眼可见的搓衣板纹,最终导致轴承失效。

2.3加强转轴接地

使用高电导率碳刷直接接触发电机非驱动端转轴,接地效果更佳,降低转子轴电流损害发电机传动系统、变频器发生概率,提高发电机运行可靠性,碳刷接触线速度较传统集电环端更低,降低碳刷磨损率,提高碳刷使用寿命,碳刷安装位置更便于碳刷磨损检查和碳刷,碳刷滑环维护。另外,还可以在发电机中安装接地系统,双馈式的发电机可以利用变频器IGBT对发电机转子进行供电,从而控制电能的质量,确保发电机的正常运转,与此同时变频器还可以对发电机的转子给予一定的电压脉冲,然后令转子轴、发电机轴承和机座中形成高频的环流,而发电机中产生的这些电流,可以利用接地碳刷,将其迅速导入到大地中,避免转子轴由于接地不良,导致电流无法被导入到大地,从而致使轴承通电,最终由于电腐蚀令轴承出现故障,因此,相关工作人员可以加强转轴接地,通过安装良好的转轴接地系统,令发电机中转子轴对称的两侧均可以同时接地,进一步保障发电机转子有效接地,促进电流的导出,减少电腐蚀现象的发生。

结语

本文对风机变桨轴承自动润滑系统在工作过程中常出现的问题进行了分析,并就温度对油脂泵出脂量和温度对油脂粘度的影响进行了试验研究,同时结合风机的现场运行状况进行了分析,研究表明温度对润滑系统有着重要的影响,油脂分配阀在冬天最容易堵塞的主要原因是,油脂在低温时粘度较高,流动性很差,使得油脂滞留在分配阀中并发生氧化反应,长时间的氧化会造成分配阀永久性堵塞.通过在油脂分配阀上设计加装一个自动温控加热装置,使得低温天气里分配阀的温度恒定,可显著改善油脂的流动性能,能完全避免油脂凝固,进而避免现有风机轴承润滑系统经常发生的油脂润滑不足和无润滑的故障,从而保障风机轴承始终工作在润滑条件良好的状态.

参考文献:

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[2]付双军,钟本旺,田丰,张学文.自动润滑系统在风机变桨轴承上的应用现状及问题解决方法[J].内燃机与配件,2019(18):247-249.

(作者单位:河南工学院)