雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承波紋狀損傷分析及預(yù)防

陳國光，姜 洋，張來祥，馮 欣，夏延秋

（1.黑龍江省華富電力投資有限公司，黑龍江哈爾濱 150090；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，風(fēng)力發(fā)電作為新興能源在國內(nèi)的戰(zhàn)略能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。其中風(fēng)電發(fā)電量僅次于火電和水電，排在發(fā)電量的第三位。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，其中雙饋發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制方法是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，雙饋發(fā)電模式，突破了機(jī)電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運(yùn)行的傳統(tǒng)觀念，使原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)輸出頻率限制，而發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時(shí)位置的影響，變機(jī)電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前風(fēng)力發(fā)電的主要機(jī)型。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承故障的特點(diǎn)

作為風(fēng)電機(jī)組的重要部件—發(fā)電機(jī)，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，發(fā)電機(jī)軸承故障也越來越多，導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)成本增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性降低。其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)電腐蝕作為電機(jī)軸承失效的一種形式，也越來越多引起相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注。電腐蝕簡稱電蝕，是指軸兩端將會(huì)出現(xiàn)交流電壓，當(dāng)軸承上的分電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，將擊穿軸承中的油膜，在軸承轉(zhuǎn)軸、內(nèi)圈、外圈和軸承室組成的回路中產(chǎn)生電流，電流導(dǎo)致軸承軌道表面出現(xiàn)局部熔融和凹凸現(xiàn)象。盧源[1]報(bào)道了某風(fēng)場的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)累計(jì)更換過發(fā)電機(jī)軸承的風(fēng)機(jī)數(shù)達(dá)總風(fēng)機(jī)數(shù)的1/2，其中更換的風(fēng)機(jī)中90%更換過發(fā)電機(jī)前后軸承，另外多次更換軸承的風(fēng)機(jī)達(dá)總數(shù)的1/3，而且更換的故障軸承80%是軸電流引起的波紋狀損傷。到目前為止還沒有有效的方法來監(jiān)測因軸電流引起的軸承損傷，雙饋式發(fā)電機(jī)軸承失效已成為電機(jī)軸承的主要失效形式。

2 避免發(fā)電機(jī)軸電流的方法

隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)總量的增加，如何避免或減緩因軸電流引起的軸承失效是當(dāng)前和未來要解決的主要問題。如何監(jiān)測因軸電流引起的疲勞。如果SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)中有轉(zhuǎn)子和定子電流信號(hào)數(shù)據(jù)、電壓信號(hào)數(shù)據(jù)和輸出功率信號(hào)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，不失為一種切實(shí)可行的方法。通過對(duì)波紋損傷的軸承的SCADA 數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承溫度提高可以預(yù)測軸承損傷。

3 避免軸電流的措施

3.1 絕緣法

軸承部件的絕緣可以減緩軸電流對(duì)軸承的損傷，目前采用的絕緣方法有：絕緣端蓋、絕緣軸承座、軸承內(nèi)圈及外圈加涂層絕緣、用陶瓷深溝球軸承等方法。

普通軸承替換為有電絕緣性能的軸承，以阻斷軸電流的路徑。絕緣軸承包括混合陶瓷軸承和套圈帶絕緣涂層的軸承。陶瓷軸承因成本過高，已很少采用。而黃熙等人[2]研制的無緯帶和片狀模塑料絕緣端蓋結(jié)構(gòu)目前已大大限制了電機(jī)軸承軸電流的產(chǎn)生，降低了因軸電流引起的失效風(fēng)險(xiǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩種電機(jī)軸承端蓋的絕緣設(shè)計(jì)方法

3.2 潤滑脂方法

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電機(jī)軸承，因?yàn)檩S電流的存在，潤滑脂的選擇上就要考慮潤滑脂的防電腐蝕性能，同時(shí)潤滑脂也是保軸承不損傷的最后一道屏障。研究發(fā)現(xiàn)，在軸電流作用下，當(dāng)干摩擦狀態(tài)下，軸電流瞬間導(dǎo)致軸承表面失效，而潤滑脂的存在將大大延緩軸電流對(duì)軸承的損傷。

潤滑脂作為阻斷軸電流的最后一道屏障，起著至關(guān)重要的作用。軸承潤滑脂具有降低滾動(dòng)體間摩擦、減少動(dòng)力消耗、排出熱量、防止軸承溫升和抗疲勞的作用，同時(shí)，軸承潤滑脂還應(yīng)具有好的潤滑性、抗氧化、防腐、防銹、減振和降噪等作用。研究發(fā)現(xiàn)，通過改善潤滑脂的導(dǎo)電性，可以大幅度延緩或阻止軸電流的發(fā)生[2]。實(shí)際工作中還發(fā)現(xiàn)，提高潤滑脂的加注量和縮短加注的間隔可以大大降低因軸電流引起的軸承損傷。

3.3 現(xiàn)場問題

某風(fēng)電場位于海拔約170 m 的半丘陵地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。安裝1.5 MW 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)軸承為SKF 進(jìn)口軸承，潤滑脂為克虜伯114 潤滑脂，注脂裝置為林肯自動(dòng)注脂機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行8 年來，目前以每年約5%的發(fā)電機(jī)軸承因軸電流而發(fā)生損傷，因維修而停機(jī)導(dǎo)致發(fā)電量降低。圖2 示出了軸承內(nèi)圈因軸電流而導(dǎo)致的波紋狀損傷。

圖2 軸承內(nèi)圈表面波紋狀損傷

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電機(jī)溫度的監(jiān)測曲線

圖3 示出了該風(fēng)機(jī)失效前3 個(gè)月的電機(jī)軸承測和非驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度記錄曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)隨著運(yùn)行時(shí)間變化，電機(jī)溫度逐步提高，溫度變化曲線代表了電機(jī)工作的狀態(tài)，即有風(fēng)和無風(fēng)時(shí)電機(jī)的溫度。發(fā)現(xiàn)在檢查前的80 d，事實(shí)上已經(jīng)發(fā)生溫度異常升高，是否可以通過溫度異常判斷軸電流損傷，即溫度的監(jiān)測可以預(yù)測電機(jī)軸承的損傷，但不能確定電機(jī)失效形式，因此需要更深入分析軸電流產(chǎn)生的原因和測試手段，來抑制軸電流發(fā)生和通過潤滑手段減緩對(duì)軸承的損傷。可以判斷軸承工作的運(yùn)行狀態(tài)，減少軸承故障的發(fā)生，這有助于合理地安排維修，提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，提高發(fā)電效率，為延長發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命提供理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要零件，發(fā)電機(jī)軸承一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效力降低，甚至導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停止發(fā)電，需對(duì)軸承維修后才可以運(yùn)行。通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度變化發(fā)現(xiàn)，溫度可以作為軸承電腐蝕損傷的預(yù)警。如果能通過軸承兩端溫度的變化，對(duì)軸承電蝕損傷采取相應(yīng)的預(yù)防措施，將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的運(yùn)行提供了保障。