基于振動監(jiān)測系統(tǒng)的雙饋發(fā)電機組軸電流故障分析

季曉龍，趙芡瑩

（1.浙江運達風電股份有限公司，浙江杭州 310012；2.杭州興源環(huán)保設備有限公司，浙江杭州 310058）

0 引言

近年來，為實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的政策目標，國家加大了新能源發(fā)展建設，隨著我國風電裝機容量的增加，風力發(fā)電機組的故障問題也逐漸顯現(xiàn)出來。電機是風電設備的核心，目前風力發(fā)電機的故障主要集中在電機，而且大部分的電機故障是軸承失效，且由軸電流導致的軸承失效占比較高。如何保障發(fā)電機可靠運行，提高軸承使用壽命，已成為各個整機廠商以及電機供應商、軸承供應商重要的研究方向。

1 軸電流引起的軸承損壞原因分析

風力發(fā)電機組在運行時，變流器產生的共模及差模電壓是發(fā)電機產生軸電流的主要原因。以滾動軸承為例，滾道上形成的搓板紋形損傷可以充分證明有較大的電流流過，產生搓板紋形損傷故障現(xiàn)象主要有兩個原因：

（1）在軸承滾動體與滾道間，電流與潤滑油中的殘酸及水分，形成電化學腐蝕。由于滾動軸承的接觸基本上是點接觸，電流密度較大，這時會產生局部較大強度的電化學腐蝕。

（2）滾動軸承過度的潤滑，導致軸承內部形成的油膜不穩(wěn)定，隨著軸承轉動忽大忽小，接觸電阻也在變化，導致間歇放電，引起軸承滾道的電腐蝕。電腐蝕的存在會導致滾道逐漸產生不平滑的表面，進一步導致接觸不良，會使?jié)L道在幾周時間內形成擴大損傷的搓板紋形損傷。

以上兩種相近結果但不同機理的損傷是同時發(fā)生的，原因是軸電流反復作用擊穿油膜，導致間歇性電化學反應形成電腐蝕，從而對軸承造成損傷。

2 滾動軸承軸電流故障在振動信號中的表現(xiàn)

2.1 滾動軸承組成

滾動軸承組成部件有外圈、內圈、滾動體、保持架等。其中，外圈通常固定在軸承座上，內圈與軸頸相配合，并于軸頸一起旋轉，滾動體的數(shù)量、大小和形狀對滾動軸承的承載能力有著決定性作用，而保持架則是用來防止?jié)L動體脫落的。

2.2 軸承故障特征頻率

由于長時間運行在速度和負載不斷變化的工況下，隨時間的增長，滾動軸承成為最易損壞的部件。造成滾動軸承故障的因素可分為外在因素和內在因素兩大類，外在因素主要有設備加工尺寸偏差、安裝和操作不當、潤滑油脂使用不當、軸承油脂污染等，而內在因素主要集中在滾動軸承在運行中受應力、電腐蝕、化學腐蝕等。

滾動軸承一旦發(fā)生故障，運行時滾動體每次接觸到故障部位就會產生瞬時沖擊響應，采集到的振動信號時域圖通常會表現(xiàn)出沖擊特性，并在頻譜圖上產生滾動軸承故障特征頻率。軸承的故障特征頻率計算公式見表1，其中R 為軸轉速、N 為滾動體個數(shù)、D 為軸承節(jié)圓直徑、d 為滾動體直徑、α 為接觸角。

表1 軸承故障特征頻率計算公式

2.3 電流故障振動信號表現(xiàn)

圖1 為某風電場風電機組傳動系統(tǒng)測點示分布，在10#、11#兩個位置安裝有振動傳感器，分別為發(fā)電機驅動端徑向測點、發(fā)電機非驅動端徑向測點。當故障機組發(fā)電機轉速為1710 r/min時，滾動軸承故障頻率見表2。

圖1 風電機組傳動系統(tǒng)示意

表2 滾動軸承故障頻率

2.4 對11#測點的振動信號進行圖形分析

（1）有效值趨勢圖分析。測點的振動有效值趨勢一直在上升，超過VDI3834[3]第一限度（10 m/s2）（圖2）。

圖2 11#測點的振動有效值趨勢

（2）時域圖分析。從時域波形圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的、有規(guī)律的沖擊現(xiàn)象（圖3）。

圖3 11#測點時域圖

（3）頻譜圖分析。在頻率1000～6000 Hz，存在等間隔頻率（101.9 Hz）的調制現(xiàn)象，近似軸承外圈故障特征頻率（圖4）。

圖4 11#測點頻譜圖

（4）三維頻譜圖分析。軸承外圈故障頻率最初在頻率3000～6000 Hz，隨著故障的惡化，由高頻段逐漸向低頻段發(fā)展，故障現(xiàn)象越來越明顯（圖5）。

圖5 11#測點的三維頻譜圖

由以上在線振動狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)信號分析可知，軸電流故障出現(xiàn)在發(fā)電機非驅動端軸承上，振動有效值趨勢隨著故障惡化而逐漸上升，時域圖中無法明顯地分辨出故障沖擊現(xiàn)象，但是在頻譜圖中發(fā)現(xiàn)軸電流故障。故障初期，在3000～6000 Hz 的范圍以軸承外圈故障頻率存在，隨著軸電流故障惡化，故障頻率越來越明顯，通過三維頻譜圖可以看到故障頻率逐漸向著低頻發(fā)展。

3 故障處理

現(xiàn)場指導拆下發(fā)電機非驅動端軸承，并對其進行切割，發(fā)現(xiàn)軸承軸承滾道上有搓板紋形損傷（圖6）。經(jīng)過更換軸承備件，該機組恢復正常運行。

圖6 軸承故障

4 結論

本研究從測點的振動有效值趨勢變化入手，初步確定軸承振動異常，然后對測點進行時域、頻譜、三維頻譜進行分析，準確地監(jiān)測到軸承軸電流故障現(xiàn)象。對于軸承軸電流故障，可以通過振動監(jiān)測系統(tǒng)進行準確監(jiān)測，如果在故障初期進行人為干預，可以延緩軸承軸電流故障的惡化、延長軸承使用壽命。這也是基于在線振動狀態(tài)監(jiān)測對滾動軸承軸電流故障監(jiān)測與分析診斷的典型思路。