双馈风力发电机轴承波纹状损伤分析及预防

双馈风力发电机轴承波纹状损伤分析及预防

解京晶 顷恒博

西安中车永电捷力风能有限公司 陕西西安 710000

中车永济电机有限公司 山西运城 044500

摘要：近年来，我国的经济发展迅速，轴承作为风电场风机发电机的重要组成部件，其运行质量是衡量风机发电机运行可靠性的最主要指标之一。风机发电机轴承一旦出现失效情况，其缺陷处理和更换将非常困难，更换处理时间和费用成本也比较高昂。

关键词：双馈风力发电机；轴承波纹状损伤分析；预防

引言

风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力，风力发电作为新兴能源在国内的战略能源结构中扮演着重要角色。其中风电发电量仅次于火电和水电，排在发电量的第三位。随着风电产业的迅速发展，国内大型风力发电机组制造技术已经趋向成熟，其中双馈发电机的变速恒频控制方法是在转子电路实现的，双馈发电模式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接，双馈风力发电机是目前风力发电的主要机型。

1风力发电机轴承故障的特点

作为风电机组的重要部件—发电机，其运行稳定性直接影响着风力发电机组的运行，随着风力发电机组运行时间的增加，发电机轴承故障也越来越多，导致运行维护成本增加，风力发电机组运行可靠性降低。其中风力发电机电腐蚀作为电机轴承失效的一种形式，也越来越多引起相关技术人员的关注。电腐蚀简称电蚀，是指轴两端将会出现交流电压，当轴承上的分电压达到一定阈值时，将击穿轴承中的油膜，在轴承转轴、内圈、外圈和轴承室组成的回路中产生电流，电流导致轴承轨道表面出现局部熔融和凹凸现象。卢源[1]报道了某风场的双馈风力发电机累计更换过发电机轴承的风机数达总风机数的1/2，其中更换的风机中90%更换过发电机前后轴承，另外多次更换轴承的风机达总数的1/3，而且更换的故障轴承80%是轴电流引起的波纹状损伤。到目前为止还没有有效的方法来监测因轴电流引起的轴承损伤，双馈式发电机轴承失效已成为电机轴承的主要失效形式。

2双馈风力发电机轴承波纹状优化

2.1风机发电机转轴损伤

风机发电机在运行过程中出现发电机非驱动端轴承温度偏高或短期内呈现大幅度升高的情况。紧接着频繁报出“风机发电机轴承温度超”“风机变频器故障”，严重时报出“变频器网侧接地故障”“风机发电机三相电流越线故障”。检修人员登塔检查情况主要有：1）发电机非驱动端轴承润滑油脂明显变质，呈铁锈褐色、发黑情况。2）发电机在低速运转时有异常震荡的声音。3）发电机主碳刷、接地碳刷磨损严重，集电环表面灼伤。用手抚摸集电环表面，表面粗糙。4）检查碳刷支架表面灼伤，碳刷支架连接线路绝缘皮有烧伤痕迹。拆解发电机轴承，转轴上的轴承安装面损伤严重，呈点状腐蚀状态，腐蚀点坑深浅不一，点蚀坑深度为2~2.5mm；轴承内圈与轴承接触面光滑，无明显损伤；轴承内外圈滚道面及轴承滚子上有正常运行磨损痕迹，无其他异常损伤现象，无电腐蚀痕迹。5）检查变频器滤波电容完好，塔底机侧、网测电缆完好，发电机定转子及碳刷支架绝缘检测正常。6）检查机侧模块电流互感器接线正常，机侧排线接线正常，配置版AP9、开关电源供电正常。7）检查发电机编码器接线情况，发电机屏蔽线连接无松动，发电机编码器固定良好。

2.2风机发电机轴承损伤

风机发电机轴承损伤与转轴损伤对机组运行情况影响基本一致，都是故障前期出现轴承温度偏高或者短期内呈现大幅度升高的情况。紧接着频繁报出“风机发电机轴承温度超限”“风机变频器故障”“风机发电机碳刷故障”等，严重时报出“变频器网侧接地故障”“风机发电机三相电流越线故障”。登塔初步检查情况也是基本一致的，主要表现为：1）发电机非驱动端轴承润滑油脂明显变质，呈铁锈褐色、发黑情况。2）发电机主碳刷、接地碳刷磨损严重，集电环表面灼伤。3）情况严重时，出现碳刷支架表面灼伤，碳刷支架连接线路绝缘皮灼伤情况。4）对变频器、发电机及其他部位检查，无异常情况。5）拆解发电机轴承，轴承滚到受力面出现较大面积压光，轴承内外圈滚道出现了一定程度磨损，轴承运行游隙增加。

2.3轴承故障的状态分量诊断法

根据检测电机滚动轴承采用的状态分量进行如下方法分类。(1)噪声检测法。DFIG主轴轴承的设计寿命一般为20a，正常工作时轴承转动灵活无异声。现场可以使用听棒或是电子听诊器检测轴承的疲劳损伤。滚动轴承正常运行时会产生一种连续而圆滑的固有滚动声和滚动体带动保持架发出的周期性颤音。轴承出现故障时产生一定周期的噪声;当有异物入侵时会产生大小不定的非周期性噪声;当在电机无负荷运转下主轴异常振动时会发出蜂鸣声;当轴承受到径向振动或冲击时会发出“咕噜”声。此时必须停机检查并确定故障类型和处理方法，但由于实际影响因素较多，所以可靠性较差。(2)振动检测法。滚动轴承产生的振动通常分为自身弹性振动和故障振动。故障轴承受滚动体和损伤面相对运动的影响产生交变的冲击力，进而引发频率成分丰富的复杂振动。一般而言，主轴转速越高或表面损伤越严重，振动频率就越高。可以利用振动加速度传感器对滚动轴承进行振动信号的检测，再选择适当的信号处理方法提取故障特征量。具体方法在下文中详细给出。这样就提高了监测诊断的准确性。(3)温度检测法。轴承温度跟电机的热容量、散热性、转速和负载有关，正常温升一般不超过55K。利用温度传感器实时采集接触箱体的温度再推算出轴承的温度，技术含量小且易于实现。若润滑或安装不当，温度会急剧上升并出现异常高温，需要停机处理。(4)油样检测法。抽取滚动轴承机械接触表面的润滑油样，分析其成分、金属磨粒大小及形貌，判断滚动轴承的运行工况。同时也可以通过滚动轴承润滑油或油脂成分判断润滑剂的状态。该方法有利于滚动轴承的早期故障诊断，但因取样不便而受到限制。

2.4现场发电机轴承维护问题造成的轴承高温报警

风力发电机所处的工况，相对于地面上的发电机来说，通常要恶劣得多。如：运行时间长、工作载荷变化范围大、环境温差大、砂尘多、海拔高度高、还有的地处沿海地段，空气中湿度大、含盐较高。此外，现场轴承维护保养条件差，发电机数量非常庞大，不能像陆地上的发电机一样定期进行大修和及时地更换已失效的轴承润滑脂，使得发电机轴承现轴承外盖内腔已堆满了排出的润滑脂，却没有得到维护人员及时清除。经问询现场维护人员得知，他们在发电机运行3年多的时间里，一直没有检查和保养过轴承，造成轴承室内因不断补充润滑后，润滑脂已占满了轴承室内部的自由空间，发电机出现了批量轴承报高温及轴承润滑脂通过密封间隙泄露到发电机里面的严重事故。对发电机轴承进行认真仔细的定期检修工作，对于减少发电机轴承事故是非常有必要的。例如，在发电机每半年定检维护时，拆下或取出轴承外盖下部的废脂收集盒，检查轴承外盖内有没有堆积过多的废脂，发现有油脂堆积时要及时进行清理维护，预防事故的发生。

结语

风力发电机组发电机轴承经常报高温停机的现象，不仅会增加发电机的发电和维护成本，而且会直接影响风场业主发电运营的经济效益。因此，研究其产生的原因，对于指导改进风力发电机设计及其现场维护保养措施，达到减少发电机轴承报高温停机故障的频率，提升风力发电机的发电效率，具有节能降耗的意义。

参考文献

[1]周超,朱熀秋,魏杰,等．我国风力发电发展现状和问题分析[J]．能源研究与信息，2012，(2)：69-75.

[2]埃斯曼，哈斯巴根，韦根特．滚动轴承设计与应用[M].武汉：华中工学院出版社，1985.

[3]陆杭聪,李兴林等,轴承润滑脂寿命试验与失效分析[C].洛阳,中国轴承工业协会,2015：92-97.