发电机轴承润滑不良的故障分析

发电机轴承润滑不良的故障分析

王德传

国家能源聊城发电有限公司

摘要：随着全球污染严重，清洁的可再生资源如风力发电等得到了快速发展。但如果风力发电设备的安装、设计、润滑工作不到位，再加上使用环境的影响，会提升风力发电设备早期失效的概率，从而影响风力发电效率。以下为某风场风力发电机组前轴调心承使用2年后，外圈滚道、内圈滚道、滚柱表面均存在的现象：两列滚道运转磨损痕迹不一致，齿轮箱侧运转磨损痕迹严重，内圈齿轮箱侧表面直接出现浅层剥落，碾压严重，叶片侧运转磨损痕迹轻微，滚柱表面出现麻坑痕迹。

关键词：发电机；轴承润滑不良；故障分析

引言

近十几年来，我国风力发电蓬勃发展，在早期安装的风力发电机组中，双馈型风力发电机组为主流机型，安装数量多，在双馈型风力发电机组中，主轴部分主要以双主轴轴承作为旋转及支撑部件，因此主轴轴承对于风力发电机组的传动作用尤为重要。因主轴轴承承在机组运行时主要承受风轮和主轴运转时产生的轴向力、径向力和弯矩载荷，承受载荷大且复杂，在机组长时间运行后，主轴轴承易出现磨损情况，且主轴轴承维护费用较高，因此对主轴轴承磨损原因的分析及防范措施的探索显得愈加重要。

1风力发电机变频器故障类型

风力发电机常见故障有变频器温度过高或过低、变频器发生错误动作、变频器发生脱网、变频器过电压、变频器超速、变频器过电流、变频器转速信号故障、变频器欠电压、电网频率过高或过低、变频器运行状况与实际差距较大等。变频器过电流故障时，负载出现分配不均匀现象，进而导致变频器输出电路短路，逆变器不具备良好过载能力，因此过电流故障诊断非常重要；变频器过电压故障主要指交流电转化为直流电过程中，直流回路出现过电压现象，过电压会对滤波器产生一定影响，导致使用寿命减少，直流回路过电压会导致变频器负载突然下降，进而导致转速显著上升，变频器负载测的能量会通过变频器回流到中间直流回路，导致能量突然集中，中间直流回路无法短期内对多余能量进行处理，导致超过承压能力，引发过电压故障。变频器过电压一方面由于电源侧冲击导致过电压，另一方面由于发电机编码器干扰使转子侧励磁调度出现紊乱。外部雷电的冲击会导致过电压，当雷电冲击后发电机变频器负载较少，而转速增高，因此中心直流回流在短时间内完成大量能量传送，导致中心回流承受过多负担，导致过电压。双馈式异步变频器拥有两条回路，通过电源侧的逆变电路可以将多余电流经由变频器传输回电网，从而有效减少过电压现象，因此在变频器故障诊断中仍然需要对过电压故障进行诊断和分析；如果交流电输入侧电源出现缺相，经过整流器的电压过低，会导致整流回路出现欠电压故障。故障按照不同原则可以分为以下几类。一是按照故障发生规律进行分类，包含永久性和偶发性故障。例如：可控硅和晶体管等元件损坏所导致的主电路丧失使用功能的故障持续时间比较长，可以归类为永久性故障；插件接触不良、变频器元件焊接不牢、信号干扰等故障具有间歇性，可以归类为偶发性故障。二是按照故障发生的时间进行分类，包含老化性故障和间歇性故障。例如：变频器元件老化或者由于元件长期使用过程中磨损所导致的突发性故障，往往发生在设备投入运行后期，而且故障发生比较突然，可以归类为老化性故障；变频器功能故障时有时无，发生时间没有明显规律，可以归类为间歇性故障。三是按照故障发生的部位进行分类，包含电源故障和内部故障。例如：连接变频器电网电压不稳定所导致的缺相和过压等，可以归类为电源故障；变频器内部滤波电容和整流器出现故障所导致的欠过压和逆变器短路和过电流等故障，以及电动机和控制系统故障等，可以归类为内部故障。

2风力发电机组运行维护策略

2.1做好维护质量评估工作

维护质量的评估可以促进维护措施的优化，对完善维护措施有良好的促进作用，而且通过对评估指标数据的前后对比，可以更好地评价维护效果。质量评估指标主要包括：风电机组的可利用率、平均无故障运行时间、平均故障总耗时等方面。风电机组的可利用率是统计周期内风机的可用时数与统计周期总时数的比值，比值越大，说明机组的可利用率越高。平均无故障运行时间是风机两次相邻故障之间的时间间隔，可以衡量出风机维护的水平。平均风机故障总耗时是一个周期内（通常为一年）风机停机消耗的时间，这个指标可以反映出维护人员对于故障的反应速度、故障的诊断及排除能力等。

2.2无刷双馈风力发电机的直接转矩控制

无刷双馈风力发电机不能用一套绕组完成控制，也无法控制转矩和磁链所需的方向矢。因此，可以充分利用改进直接转矩控制方法。有研究学者提出，可以在一套绕组的基础上，对转矩和磁链变化进行估计，实现对无刷双馈风力发电机的转矩控制。如果能合理地预测转矩和磁链的变化，就能计算得出控制绕组的额定电压，接下来可以计算变频器开关函数，通过合理地控制变频器，得到输出频率与电流幅值。需要注意的是，对转矩的直接控制要测量端的电压、端的电流和转子速度。直接转矩控制的计算量比较大，最好不要使用一般的微处理器来计算，要使用具有高速性质的微处理器，对输入和输出量进行处理，尽管其成本较高，但相比于标量控制依然具有较大的优势。研究发现，在直接转矩控制的前提下，可以使用自适应控制方式，提升无刷双馈风力发电机的负载惯量。在直接转矩控制中，电机参数的改变敏感度较低，因此，将自适应控制和直接转矩控制进行有机融合，能够使无刷双馈风力发电机的性能达到最佳。当然，这一方式的应用还是比较复杂和困难的，目前仍处于理论仿真阶段。

2.3选择涂料时要注意风力发电机器所处在的环境

在不同环境下所需要的防腐剂涂料是不一样的，工作人员在挑选防腐剂时，要根据介质的温度、浓度、密度等，选择最适合保护机器的防腐材料。常见的风机：海上型风机，高原型风机，潮间带风机等，根据当地的气候、环境条件以及涂抹方式不同，所以，防腐所选用的涂料种类也不同；

2.4在选择涂料时要注意风力机器的材料材质

就像结构钢、不锈钢等这种不同的材质就要选择不同的涂料，其涂抹方式也不同，涂抹厚度也不同，工作人员应该根据风力发电机器所应用的领域和所处在的环境进行选择，满足既保护风力发电机器，又能节约成本提高资源利用效率；

结语

随着国内“双碳”战略的推进实施，国内的风力发电产业得到了快速发展，风电机组装机容量不断增加，具有运行维护需求的风机数量也快速上升。由于风电机组在露天环境下运行，受不可抗力影响因素较多，故障发生率也比较高。因此，要围绕提高风电场的发电量、风电机组的稳定性以及降低风电机组维护成本等方面来开展科学的维护，逐步降低以至于杜绝风电机组的大型故障发生率，减少非计划停机和故障后的被动维修次数，确保机组稳定运行，为社会提供更多优质的绿色电力能源。

参考文献

[1]毛小丽.风力发电机组故障特征分析与诊断方法研究[D].北京：华北电力大学，2017.

[2]郭艳平，颜文俊，包哲静.风力发电机组在线故障预警与诊断一体化系统设计与应用[J].电力系统自动化，2010，34（16）：83-86.

[3]裴旭斌，毛冬，戚伟强，等.大数据下风电机组轴温预警方法的研究[C].2017年“电子技术应用”智能电网会议论文集，2017：343-348.

[4]时静一.基于机器学习和风机大数据的故障预警[D].北京：北京邮电大学，2020.

[5]刘刚.基于大数据分析的风力发电机组故障预警的研究[D].天津：河北工业大学，2019.