雙饋異步發(fā)電機(jī)潛在失效模式分析及控制措施研究

武堯堯，余冰

（國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039）

前言

風(fēng)力發(fā)電是一種很有潛力的可再生能源，隨著世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速崛起，中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)也在迅速發(fā)展。目前主流變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有兩種：雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其中雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大規(guī)模應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外不同環(huán)境條件的風(fēng)場(chǎng)。

雙饋異步發(fā)電機(jī)是一種繞線式感應(yīng)電機(jī)，是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵部件之一，在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化比率中占據(jù)著舉足輕重的地位。

本文以某公司應(yīng)用于某兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙饋異步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)大量風(fēng)電機(jī)組中雙饋異步發(fā)電機(jī)的實(shí)際故障案例，分析其關(guān)鍵部件的潛在失效模式，總結(jié)故障失效產(chǎn)生原因和導(dǎo)致后果，并提出有效的改進(jìn)優(yōu)化方案，保證實(shí)施效果。

1 雙饋異步發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)介紹

大型并網(wǎng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)連接，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)，滿(mǎn)足機(jī)組在不同的風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)恒頻恒壓發(fā)電，并滿(mǎn)足用電負(fù)載和并網(wǎng)的要求。

雙饋風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)主要由電機(jī)本體、冷卻系統(tǒng)兩大部分組成。電機(jī)本體由定子、轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)三大主要部分組成。定子包括機(jī)座、定子鐵心、定子繞組等。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸等。軸承系統(tǒng)包括軸承、端蓋、軸承蓋等。其中軸承為高品質(zhì)絕緣軸承或端蓋絕緣結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)子變流器供電帶來(lái)的諧波產(chǎn)生的共模電壓引起的軸電流對(duì)軸承的損害?；h(huán)-刷架系統(tǒng)是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)子變流器通過(guò)電纜、刷架、電刷及滑環(huán)將頻率、幅值和時(shí)刻變化的三相電流引入轉(zhuǎn)子繞組?；h(huán)安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，刷架系統(tǒng)安裝在滑環(huán)室內(nèi)，電刷安裝在刷盒內(nèi)，通過(guò)恒壓彈簧壓在對(duì)應(yīng)的滑環(huán)上[1]。

2 關(guān)鍵部件潛在失效模式及后果分析

雙饋異步發(fā)電機(jī)的某些關(guān)鍵部件的故障或失效會(huì)對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)乃至整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生損害性的影響。

分析風(fēng)電機(jī)組雙饋異步發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件的潛在失效模式及導(dǎo)致后果可以分別為雙饋異步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程和制造過(guò)程提供糾正措施和更改證明，更有效地降低失效模式造成的風(fēng)險(xiǎn)和損失，降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

下面分別關(guān)于雙饋異步發(fā)電機(jī)的五個(gè)關(guān)鍵部分：定轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)、軸承、絕緣軸承座或絕緣軸承、滑環(huán)、刷架（碳刷）討論其故障原因和優(yōu)化改進(jìn)方式。每個(gè)部件分別從部件功能要求、潛在失效模式、產(chǎn)生原因、導(dǎo)致后果等方面分析陳述，并提出現(xiàn)行控制方法和建議實(shí)施措施。

2.1 定轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)

部件名稱(chēng)：定轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)

部件功能要求：實(shí)現(xiàn)電機(jī)壽命20年可靠運(yùn)行。

潛在失效模式：定轉(zhuǎn)子匝間絕緣強(qiáng)度不夠和對(duì)地絕緣強(qiáng)度不夠或絕緣匝間擊穿而引起電機(jī)故障。

產(chǎn)生潛在失效的原因：

（1）發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或選材不當(dāng)。

（2）絕緣材料的耐熱溫度低，耐電強(qiáng)度不夠。

（3）工人操作過(guò)程中未能保證足夠的電壓爬電距離和防暈處理。

（4）絕緣處理未控制好絕緣材料的環(huán)境性能。

（5）絕緣擊穿應(yīng)從以下兩方面分析處理，發(fā)電機(jī)發(fā)生異常情況，短時(shí)電壓過(guò)高；絕緣電阻低，原因?yàn)榫€圈不潔、過(guò)熱、過(guò)潮、環(huán)境溫度過(guò)低和絕緣老化等。

潛在失效導(dǎo)致后果：發(fā)生嚴(yán)重電機(jī)故障，顛覆性的故障使電機(jī)完全失去其功能。

現(xiàn)行控制方法：根據(jù)電機(jī)的電壓等級(jí)設(shè)計(jì)合理而又可靠地絕緣結(jié)構(gòu)；選擇符合設(shè)計(jì)要求的絕緣材料，并選樣進(jìn)行材料熱老化和電老化壽命試驗(yàn)；操作時(shí)注意爬電距離的控制，避免機(jī)械損傷絕緣結(jié)構(gòu)；控制絕緣材料在20-25℃的無(wú)塵恒濕的環(huán)境里存放。

建議措施：對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行某溫度下的壽命設(shè)計(jì)和電老化壽命試驗(yàn)，確保電機(jī)20年壽命功能的實(shí)現(xiàn)；保證絕緣材料的存放環(huán)境條件；加強(qiáng)操作工人對(duì)絕緣材料的理論認(rèn)識(shí)和實(shí)際操作技能的培訓(xùn)。

可實(shí)施措施：制定相關(guān)定轉(zhuǎn)子線圈及嵌線工藝守則及檢驗(yàn)依據(jù)。

2.2 軸承

部件名稱(chēng)：軸承

部件功能要求：實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的連接。

潛在失效模式：軸承與端蓋軸承室的裝配間隙、軸承與前后軸承蓋的裝配間隙、軸承油隙的選擇、潤(rùn)滑類(lèi)型的選擇、選型不當(dāng)、碾壓疲勞、軸電流等都將使軸承失效，從而對(duì)電機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)顛覆性的故障。

產(chǎn)生潛在失效的原因：

（1）軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸的過(guò)盈量太大；軸承外圈與端蓋軸承室的配合不當(dāng)，異物侵入或生銹。

（2）滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間的游隙選得較小，在軸承發(fā)熱時(shí)將使得游隙變小，至發(fā)生滾道卡死的現(xiàn)象。

（3）軸承選型不當(dāng)或不正確操作導(dǎo)致過(guò)載，造成碾壓疲勞。

（4）潤(rùn)滑油選擇不當(dāng)。

（5）電機(jī)振動(dòng)大及裝配質(zhì)量等多方原因。

潛在失效導(dǎo)致后果：

（1）由于軸承配合不當(dāng)，使得軸承發(fā)熱，滾動(dòng)體卡死于軸承內(nèi)外滾道，不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而不能實(shí)現(xiàn)其功能。

（2）軸承過(guò)熱導(dǎo)致軌道變色和潤(rùn)滑油變質(zhì)，變質(zhì)的潤(rùn)滑油在表面沉積。

（3）軸承的碾壓疲勞會(huì)造成滾子軌道表面被剝離，表面發(fā)生剝離后非常粗糙。

（4）電機(jī)振動(dòng)造成摩擦損失和摩擦侵蝕。

以上情況引發(fā)故障會(huì)導(dǎo)致停機(jī)修理，甚至造成電機(jī)損壞。從而增加了停機(jī)時(shí)間，減少了發(fā)電量，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)行控制方法：

（1）準(zhǔn)確計(jì)算軸承在極端負(fù)荷下發(fā)熱而引起熱變形大小，選擇適當(dāng)?shù)妮S承配合公差和滾動(dòng)體與滾道之間的游隙。

（2）根據(jù)負(fù)荷類(lèi)型選擇合適的軸承。

（3）根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行條件選擇適應(yīng)環(huán)境條件的潤(rùn)滑脂或油。

（4）加強(qiáng)裝配質(zhì)量的控制，改善配合。建議措施：

（1）對(duì)軸承進(jìn)行壽命計(jì)算，確保17500小時(shí)的使用壽命。

（2）確保裝配軸承的清潔度，不使用不潔凈的油清潔軸承配合面。

（3）裝配在發(fā)熱端的軸承宜選用大游隙的類(lèi)型。

（4）控制尺寸鏈在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

（5）按規(guī)范要求進(jìn)行軸承的采購(gòu)并進(jìn)行入庫(kù)驗(yàn)收，明確軸承的游隙狀態(tài)及配合尺寸精度。

（6）加強(qiáng)裝配質(zhì)量的控制[2]。

可實(shí)施措施：按規(guī)范要求進(jìn)行軸承的采購(gòu)并進(jìn)行入庫(kù)驗(yàn)收，明確軸承的游隙狀態(tài)及配合尺寸精度；裝配車(chē)間技能工人進(jìn)行軸承及維護(hù)相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)，加強(qiáng)裝配質(zhì)量的控制，制定軸承裝配工藝守則。

整機(jī)送至試驗(yàn)臺(tái)上做負(fù)載運(yùn)行考核，裝配質(zhì)量，滿(mǎn)足軸承發(fā)熱及機(jī)組振動(dòng)要求。

2.3 絕緣軸承座或絕緣軸承

部件名稱(chēng)：絕緣軸承座或絕緣軸承

部件功能要求：防止由于轉(zhuǎn)子變頻電源供電引起的共模電壓擊穿軸承滾動(dòng)體與滾道之間的油膜，產(chǎn)生電流流過(guò)滾動(dòng)體，從而使?jié)L道由于電流腐蝕發(fā)熱，燒壞軸承[3]。

潛在失效模式：共模電壓擊穿軸承滾動(dòng)體與滾道之間的油膜產(chǎn)生的電流流過(guò)滾動(dòng)體，從而使?jié)L道由于電流腐蝕發(fā)熱，燒壞軸承。

分析產(chǎn)生潛在失效的原因：變頻電源的高頻諧波成分太高；軸承座的絕緣耐電強(qiáng)度不夠。

潛在失效導(dǎo)致后果：軸承滾道由于電流腐蝕發(fā)熱燒壞軸承，使得電機(jī)不能正常運(yùn)行，必須更換軸承才能運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)行控制方法：降低電機(jī)諧波的電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；加強(qiáng)軸承座的絕緣強(qiáng)度，保證絕緣電阻達(dá)到 200M?。加裝接地電刷，保證軸電流通過(guò)電刷流向地而不通過(guò)軸承。

建議措施：加強(qiáng)軸承座的的絕緣強(qiáng)度，保證絕緣電阻達(dá)到200M?。

可實(shí)施措施：裝機(jī)變頻電源供電下進(jìn)行空載軸電壓及負(fù)載軸電流的測(cè)定并觀察軸承發(fā)熱情況。在電機(jī)兩端加裝接觸良好的接地電刷。

2.4 滑環(huán)

部件名稱(chēng)：滑環(huán)

部件功能要求：實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)子的電路參數(shù)引出至外電路。

潛在失效模式：不能將轉(zhuǎn)子性能參數(shù)引出，從而不能實(shí)現(xiàn)其功能要求。

產(chǎn)生潛在失效的原因：相環(huán)與導(dǎo)電桿的接觸導(dǎo)電面不良或斷開(kāi)，引起接觸電阻增大從而引起接觸發(fā)熱；另一原因?yàn)閷?dǎo)電桿與其他相環(huán)的絕緣擊穿。

潛在失效導(dǎo)致后果：滑環(huán)是電接觸面，正常運(yùn)行時(shí)會(huì)留下電刷的刷痕，滑環(huán)的表面質(zhì)量反映出電刷的運(yùn)行特性。滑環(huán)一旦出現(xiàn)損傷，就必然在與電刷摩擦?xí)r產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，既磨損電刷，也加劇滑環(huán)損傷[4]。導(dǎo)致電機(jī)不能運(yùn)行或燒毀，不能控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

現(xiàn)行控制方法：測(cè)量導(dǎo)電桿與相環(huán)的接觸電阻，控制在千分級(jí)歐姆之內(nèi)。

建議措施：導(dǎo)電桿與相環(huán)之間連接采用過(guò)盈穿入，用銀焊牢，并保證與相鄰相環(huán)的絕緣電阻大于500M?。測(cè)量導(dǎo)電桿與相環(huán)的接觸電阻滿(mǎn)足規(guī)范要求，每相阻值均勻，滿(mǎn)足不平衡度要求。檢查導(dǎo)電桿與相鄰相環(huán)的絕緣電阻和對(duì)地耐壓 6500V，1min，絕緣電阻大于500M?。

可實(shí)施措施：滑環(huán)的維護(hù)非常重要，建議檢查周期為6個(gè)月。

如果滑環(huán)的徑向跳動(dòng)超差，要求重新打磨滑環(huán)，表面粗糙度要求 Rz10。在運(yùn)行時(shí)間約 500h之后滑環(huán)表面會(huì)出現(xiàn)小刷痕，小刷痕不會(huì)影響到滑環(huán)的安全性能。如果表面有燒結(jié)點(diǎn)，大面積燒傷或燒痕，滑環(huán)徑向跳動(dòng)超差，必須重新打磨滑環(huán)。

如果出現(xiàn)小污點(diǎn)，需按旋轉(zhuǎn)方向來(lái)重磨滑環(huán)，此磨具必須與滑環(huán)的實(shí)際彎曲面一致。盡可能不要磨掉光澤層，磨削時(shí)要注意滑環(huán)最小直徑（初始直徑為320mm，最小直徑為 310mm）。當(dāng)滑環(huán)直徑小于最小直徑時(shí)，必須更換滑環(huán)。

2.5 刷架（碳刷）

部件名稱(chēng)：刷架（碳刷）

部件功能要求：刷架是固定碳刷在刷盒中的穩(wěn)定支撐，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)滑環(huán)與外靜止電路的導(dǎo)電通路部件。

潛在失效模式：由于電機(jī)振動(dòng)和環(huán)境運(yùn)行條件的不滿(mǎn)足，將會(huì)引起滑環(huán)表面磨損、不光滑，并引起在滑環(huán)表面的導(dǎo)電氧化膜的建立情況不好。

產(chǎn)生潛在失效的原因：碳刷恒壓彈簧的壓力不均勻和滑環(huán)跳動(dòng)量太；電刷的材質(zhì)硬度大，從而引起滑環(huán)表面損傷，影響滑環(huán)表面氧化膜的建立，且加大了碳刷的磨損，從而引起碳刷和滑環(huán)表面接觸不良；也有可能不能滿(mǎn)足滑環(huán)的環(huán)境工作條件要求。

潛在失效導(dǎo)致后果：拉弧產(chǎn)生相環(huán)短路，從而燒壞滑環(huán)并熔蝕碳刷，致使電機(jī)不能正常運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)控制功能。

現(xiàn)行控制方法：控制滑環(huán)的徑向跳動(dòng)在要求的范圍 0.05mm以?xún)?nèi)，調(diào)整恒壓彈簧的壓力至一致，保證滑環(huán)及碳刷的運(yùn)行環(huán)境條件。

建議措施：控制滑環(huán)的徑向跳動(dòng)在要求的范圍0.05mm 以?xún)?nèi),調(diào)整刷架恒壓彈簧的壓力至一致，保證滑環(huán)及碳刷的運(yùn)行環(huán)境條件在60～90℃。

可實(shí)施措施：根據(jù)整機(jī)運(yùn)行環(huán)境，調(diào)整滑環(huán)室的環(huán)境為 40%的濕度和 60～90℃的滑環(huán)溫度；保證滑環(huán)裝配后的整體跳動(dòng)量在 0.05mm以下，并保證恒壓彈簧的壓力一致。

3 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)正在不斷進(jìn)步，不斷優(yōu)化完善的產(chǎn)業(yè)，所以有許多方面的改進(jìn)工作需要持續(xù)進(jìn)行。

本文闡述的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙饋異步發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件的失效模式、后果分析和建議改進(jìn)措施為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供定性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和安全性、可靠性問(wèn)題指示。通過(guò)對(duì)潛在的失效模式和其相關(guān)原因產(chǎn)生的消除或減少來(lái)避免或減少雙饋異步發(fā)電機(jī)在制造和機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中潛在的后果，提高運(yùn)行可靠性。

通過(guò)對(duì)潛在失效模式及其后果的評(píng)估結(jié)果，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)大的情況優(yōu)先采取技術(shù)措施。只有對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效可行的控制，才能更集中地使用時(shí)間、人力資源和其他資源，避免由此造成部件損壞和經(jīng)濟(jì)損失，以保證整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性運(yùn)行。

[1] 姚陶生, 賀志學(xué), 賈健, 石永.大功率雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展方向[J].電氣技術(shù),2009, 08, 65-67.

[2] 苗澍.潛在失效分析在軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].哈爾濱軸承, 2010, 03, 9-10.

[3] 曹秀中.軸承套圈退火過(guò)程潛在失效模式及后果分析[J].無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 03, 70-72.

[4] 唐德堯, 曾承志, 李合林.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)故障信息分析及維修建議[J].風(fēng)能, 2010,06,54-56.