直驱风力发电机组主轴承轴电压降低方法与实践

邢德义，高保印

(北京金风科创风电设备有限公司，北京 101102)

随着碳中和和碳达峰的承诺，绿色能源未来成为主流能源是必然趋势。其中风力发电将占据很重要的地位。直驱型风力发电技术是目前的主流技术，代表厂家有金风科技、上海电气、明阳智能等。主轴承作为直驱机组的关键核心部件，其可靠性不言而喻。近年来，随着直驱型风力发电机组的装机量日益增多，常常伴有机组主轴承失效的案例[1-2]。影响轴承失效的因素非常多，例如载荷、润滑、疲劳、腐蚀和电效应(雷击、轴电压)等因素[3-4]。有学者在文献研究提出，轴电压有效值大于0.1 V时，有出现白色腐蚀裂纹(white etching cracks，WEC)风险；轴电压有效值小于0.1 V，但轴电压峰峰值经常出现大于2 V时，由于回路电阻较小的原因，可能产生轴电流，存在出现WEC高风险[5-6]。相关文献中明确要求，应采取合理的措施有效预防轴电压，当轴电压过大时应查明原因[7-8]。

有效解决轴电压问题将提升直驱风力发电装备在复杂环境的适应性，推动风力发电系统的安全运行，减少对高碳排放化石能源的依赖，助力实现“双碳”目标。

1 常规直驱机组主轴承轴电压的现状

对常规机组目前轴电压的水平现状进行调查，对位于江苏省盐城市大丰区的某2台直驱风力发电机组的的轴电压进行了测量，测试数据如下。

第1台为2 MW机组，该数据为随机选取15 s左右的连续数据，对该区间内的数据作有效值与峰峰值统计和分析。在机组原始状态环境下，该机组前轴承轴电压如表1和图1所示。

表1 直驱2 MW机组轴电压2次测量水平

图1 第1台机组轴电压时域和频域图

第2台为6 MW机组，该数据为随机选取15 s左右的连续数据，对该区间内的数据作有效值与峰峰值统计和分析。在机组原始状态环境下，该机组前轴承轴电压如表2和图2所示。

表2 6 MW机组轴电压2次测量水平

图2 第2台机组轴电压时域和频域图

2 轴电压产生的原因

发电机轴电压的定义是：发电机正常运行时，在发电机主轴两端或者主轴与轴承之间所产生的电压。对于永磁同步风力发电系统，发电机经过变流器向电网供电，变流器的开关器件工作时会产生高频共模电压，并通过电机杂散电容网络的耦合作用，在轴承内外圈之间产生轴电压；另外雷电的电磁感应也可能使轴承上集聚一定量的电荷，形成直流的电容效应，使轴承内外圈之间产生轴电压[9-10]。

图3 轴承电压等效示意图

轴承上的轴电压取决于共模电压的大小、绕组对转子寄生电容和转子对定子寄生电容以及轴承动定轴之间电容等参数，等效电路图如图3所示[11]。这些寄生参数通常很难计算和准确获取，一般采用计算机仿真来定量计算，本文不再展开叙述。图3中：Ucm为变流器机侧产生的绕组对地共模高频电压；Cws为绕组对定子的寄生电容；Cwr为绕组对转子的寄生电容；Crs为转子对定子寄生电容；C1、C2为轴承动定轴之间寄生电容。

3 降低轴电压的方法与验证

根据理论分析，在动轴和定轴之间加装滑动连接装置，形成等电位连接，能将轴承上分压Ubear，将轴电压控制在较低水平，等效电路图如图4所示。这种滑动接触装置的接触电阻非常小，一般是毫欧甚至微欧级别。图4中，Rrs为动定轴之间的碳刷接触电阻。

图4 加装等电位连接后轴承电压等效示意图

按照以上方法，在6 MW机组上进行了实际验证。在原始状态基础上分别切入2个滑动接触装置、4个滑动接触装置、8个滑动接触装置，最后在8个滑动接触装置的基础上将电刷的接地点用导线串联起来，以起均匀接地作用。滑动接触装置切入位置如图5所示。切入2个滑动接触装置的位置为电刷2、电刷6，切入4个滑动接触装置的位置为电刷2、电刷3、电刷6、电刷7，切入8个滑动接触装置的为电刷1、电刷2、电刷3、电刷4、电刷5、电刷6、电刷7、电刷8。测点位置为1点钟与11点钟方向。

图5 直驱6 MW机组主轴承增加等电位滑动接触装置点位示意图

经过测试轴电压数据结果如表3和图6所示。

通过测试，可以得出以下结果。

a.较无等电位滑动接触装置时，切入2个后轴电压降低效果很明显，降低92%左右，有效值由0.38 V左右降至0.03 V左右，峰峰值由4.2 V左右降低至0.3 V左右。

表3 直驱6 MW机组增加等电位连接后轴电压测试结果

图6 直驱6 MW机组不同工况下轴电压时域和频域图

b.较切入2个等电位滑动接触装置，切入4个轴电压降幅约9%，有效值临近0.028 V，峰峰值临近0.29 V。

c.8个等电位滑动接触装置对降低轴电压水平进一步改善，较4个时降低约33%，轴电压有效值临近0.02 V，峰峰值临近0.19 V。

d.将等电位滑动接触装置串联起来的作用效果不明显，本次的测试结果有效值和峰峰值在0.005 V范围波动。

4 结语

直驱风力发电机组的功率容量越大，作用在主轴承上的轴电压越大；在主轴承的动轴和定轴之间加装等电位连接装置，能明显降低轴电压，安装组数越多，效果越明显。该结论对直驱机组的实际设计有一定的指导作用。

机组在运行中，轴电压长期存在，本监测的数据只是机组运行时某个时段的数据，若要想更加清晰了解机组轴电压水平，可以在机组上布置一个工作站，能够长期实时采集轴电压数据，支撑后续研究。