關(guān)于雙饋異步發(fā)電機(jī)組因高頻軸電壓導(dǎo)致軸承損壞分析

陳俊清

【摘 要】雙饋異步風(fēng)電機(jī)組是目前最成熟的機(jī)型，各大風(fēng)機(jī)廠商生產(chǎn)機(jī)組大都已雙饋機(jī)型為主，因?yàn)殡p饋機(jī)型較永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，永磁直驅(qū)機(jī)組因發(fā)電機(jī)尺寸隨容量增加會(huì)成倍加大，對(duì)制造工藝及設(shè)備安裝、運(yùn)輸、運(yùn)行都提出了很高的要求，在各大風(fēng)機(jī)廠商對(duì)單臺(tái)容量陸續(xù)擴(kuò)容的前提下，雙饋機(jī)組必然是發(fā)展趨勢(shì)。但雙饋機(jī)組因先天高頻軸電壓對(duì)發(fā)電機(jī)及齒輪箱軸承的影響，制約了雙饋異步發(fā)電機(jī)組的進(jìn)一步發(fā)展。雙饋機(jī)組向大容量、高技術(shù)方向發(fā)展，高頻軸電壓必須得到有效解決。

【關(guān)鍵詞】雙饋異步風(fēng)電機(jī)組；軸電壓；接地裝置

0 前言

雙饋異步發(fā)電機(jī)組因先天特性，運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生高頻軸電壓，高頻軸電壓傳導(dǎo)會(huì)造成發(fā)電機(jī)組軸承失效損壞，有效抑制高頻軸電壓是雙饋異步發(fā)電機(jī)組向大容量發(fā)展的必由之路。

1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)工作原理

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)電機(jī)設(shè)定切入風(fēng)速后，風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)自檢無異常的情況下，PLC發(fā)送指令使葉片變槳，在葉片受力面積逐漸加大的前提下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也在相應(yīng)的提高，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度達(dá)到并網(wǎng)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運(yùn)行要求由變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其與電網(wǎng)的頻率、電壓、幅值和相位保持相同。在此前提下風(fēng)電機(jī)的主開關(guān)閉合，風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。

1.2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子通過主開關(guān)直接和電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器與電網(wǎng)連接，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以在不同的轉(zhuǎn)速下經(jīng)過變頻器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電，能夠滿足在不同轉(zhuǎn)速下的恒頻發(fā)電是因?yàn)殡p饋異步風(fēng)電機(jī)允許有額定轉(zhuǎn)速30%的滑差范圍，也就是風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠在1000～1800rpm范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以低于發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn)（即小于1500rpm），這個(gè)范圍代表一個(gè)輕負(fù)載范圍，定子提供全部的電能，電能中的一部分通過變頻器送到轉(zhuǎn)子，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子滑差，該工作狀態(tài)為次同步狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（即等于1500rpm），大約80%的系統(tǒng)額定輸出由定子提供給電網(wǎng)。在一定程度上講，同步運(yùn)行方式是一種特殊情況，在這種情況下轉(zhuǎn)子提供直流電，此時(shí)發(fā)電機(jī)為同步電機(jī)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時(shí)（即大于1500rpm），轉(zhuǎn)子通過變頻器也可以向電網(wǎng)傳送能量。從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子送出能量以減少相對(duì)于發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)多余的速度，此時(shí)發(fā)電機(jī)工作在超同步狀態(tài)。

2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承損壞原因探析

2.1 雙饋異步風(fēng)電機(jī)組變頻器特點(diǎn)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用PMW（脈沖寬度調(diào)制）變頻器，該變頻器采用交—直—交變頻，通過整流器將工頻交流電整成直流，經(jīng)過中間電容環(huán)節(jié)再由逆變器將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，供給交流負(fù)載。異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，供電電源不但頻率可變，而且電壓大小也必須隨頻率變化，即保持壓頻比保持恒定。因此雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在傳動(dòng)系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生軸電壓。

2.2 軸電壓危害

軸電壓傳導(dǎo)至雙饋異步發(fā)電機(jī)，可以導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承油膜放電擊穿，使發(fā)電機(jī)軸承產(chǎn)生搓衣板紋，造成發(fā)電機(jī)組振動(dòng)加大和軸承逐步失效；軸電壓向前通過聯(lián)軸器傳到齒輪箱使軸承發(fā)生電腐蝕，最終導(dǎo)致齒輪箱軸承失效；軸電壓向后傳導(dǎo)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速編碼器損壞。對(duì)該危害必須采取抑制措施，防止對(duì)大部件造成不必要的損壞，大部件損壞不僅維護(hù)費(fèi)用高，高空更換空間有限，更換時(shí)間長，降低風(fēng)機(jī)可利用率，損失電量較多。

3 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組避免軸電壓導(dǎo)致軸承損壞方法

3.1 現(xiàn)有雙饋異步風(fēng)電機(jī)組抑制高頻軸電壓現(xiàn)狀

現(xiàn)有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均在抑制諧波及軸電壓技術(shù)上有了長足進(jìn)步，量產(chǎn)機(jī)型都裝有dv/dt電感、濾波器、RC單元、接地滑環(huán)、接地碳刷等設(shè)備，甚至采取特殊布線方式來進(jìn)一步避免軸電壓危害，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)仍不能很好避免軸電壓對(duì)軸承侵害，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命為20年，軸承的使用壽命一般為4-5年，嚴(yán)重影響了風(fēng)電機(jī)組的可靠性。

3.2 避免軸承頻繁損壞方法

3.2.1 使用絕緣軸承、陶瓷混合軸承，此方法需要增加軸承絕緣厚度，而絕緣厚度因制造工藝水平限制不易實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 加注低阻抗油脂，可以降低絕緣電阻，但潤滑效果降低，也會(huì)引起風(fēng)機(jī)軸承因潤滑效果不良而損壞。

3.2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集電滑環(huán)均裝有接地滑環(huán)，安裝在發(fā)電機(jī)尾端。在原有接地滑環(huán)的基礎(chǔ)上在增加發(fā)電機(jī)前端旁路輔助接地，可以有效降低軸電壓，降低軸電壓幅值，對(duì)軸電流具有良好的傳導(dǎo)作用，減少周電壓在軸承上的負(fù)作用。因此通過增加接地裝置（包括接地系統(tǒng)支撐板、刷架、恒壓簧、碳刷連接接頭、絕緣支撐固定螺栓、微動(dòng)開關(guān)報(bào)警線、接地碳刷）可以達(dá)到減少軸承等備件損壞幾率，綜合經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)現(xiàn)功能的可行性，發(fā)電機(jī)前段增加家底裝置是最有效方法。

3.2.4 加裝接地裝置技術(shù)參數(shù)：

刷架系統(tǒng)支撐板：材料 1Cr17Mn6Ni5N 硬度 HRC56-62 外觀電鍍處理。

碳刷架：材料鑄造耐腐性黃銅合金，加工工藝及機(jī)械性能符合 《JBT 5779-1991 電機(jī)用刷握尺寸》要求。

恒壓彈簧：材料 0Cr18Ni9 生產(chǎn)制作按《JB2361-2007 恒壓刷握彈簧》

碳刷架連接頭：材料 H59 表面電鍍鎳

絕緣支撐：材料環(huán)氧樹脂絕緣管 對(duì)地耐壓實(shí)驗(yàn) 2500V 1min

整體性能要求：絕緣電阻：（1000MΩ/500VDC

絕緣體強(qiáng)度：500VAC@60Hz，60S

耐壓強(qiáng)度：2500V

耐熱等級(jí)：F級(jí)

工作溫度：-30℃—150℃

3.2.5 關(guān)于軸電壓抑制的方案：結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)軸電壓產(chǎn)生、傳導(dǎo)的原理，對(duì)現(xiàn)已投入風(fēng)電機(jī)組的進(jìn)行整改的可行性和軸電壓抑制的有效性，具體實(shí)施步驟：（1）在原有風(fēng)電機(jī)組接地滑環(huán)上，將原有碳刷更換成 65%高含銀的接地碳刷，該種材質(zhì)碳刷有較好的傳導(dǎo)軸電流效果，能夠最大限度的降低周電壓；（2）發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加裝接地裝置（包括接地系統(tǒng)支撐板、刷架、恒壓簧、碳刷連接接頭、絕緣支撐固定螺栓、微動(dòng)開關(guān)報(bào)警線、接地碳刷），相當(dāng)于在原有基礎(chǔ)上改善接地效果，增加接地面積。

4 結(jié)語

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的自身特點(diǎn)是今后風(fēng)力發(fā)電向大容量、高穩(wěn)定性發(fā)展的必然趨勢(shì)，解決雙饋機(jī)組與生俱來的高頻軸電壓?jiǎn)栴}，降低傳動(dòng)系統(tǒng)故障次數(shù)，延長軸承運(yùn)行壽命，在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)具有廣闊的前景，為風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)，提升設(shè)備運(yùn)行可靠性，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

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[責(zé)任編輯：李書培]