發(fā)電機(jī)軸電流的抑制和釋放改造方案

劉 勇

山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司 山西 大同 037000

1 概述

軸承是發(fā)電機(jī)的重要組件，充分考慮其工作環(huán)境要求軸承具有高可靠性和高經(jīng)濟(jì)性并存。軸承發(fā)生損傷有多種原因，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，軸電流導(dǎo)致的滾動(dòng)軸承過(guò)電流損傷問(wèn)題較為顯著。為減輕直流電流和低頻交流電流的影響，需要對(duì)發(fā)電機(jī)軸電流的抑制和釋放進(jìn)行優(yōu)化改造措施。防止軸電流對(duì)發(fā)電機(jī)各軸承造成損壞，確保發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

2 原因分析

軸承的失效形式主要包括疲勞、磨損、腐蝕、電蝕磨損、塑性變形及裂痕，每種失效模式對(duì)應(yīng)其產(chǎn)身的原因。目前風(fēng)電機(jī)組軸承失效的主要原因有以下幾種：

2.1 發(fā)電機(jī)軸電流強(qiáng)度高 目前雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用兩電平電壓型雙PWM變頻器，且均采用IGBT作為其功率元件。IGBT的電壓變化率很大，一般超過(guò)3000V/us，會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用。兩電平電壓源PWM式變頻器的三相瞬態(tài)輸出之和不為零，存在較高的共模電壓。對(duì)于雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變頻器各自產(chǎn)生的共模電壓均會(huì)在軸上感應(yīng)出電壓。軸與地導(dǎo)通就會(huì)釋放電流，消除軸靜電壓。一般認(rèn)為，足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在30V到100V之間。

正常情況下，軸承的滾珠與滾道間有潤(rùn)滑油膜的存在，起到絕緣的作用。但當(dāng)軸電壓超過(guò)油膜能承受的擊穿電壓時(shí)，軸承將產(chǎn)生放電，產(chǎn)生軸電流。軸電流將從軸承的滾珠和滾道的接觸點(diǎn)通過(guò)，當(dāng)通過(guò)接觸面的軸電流密度超過(guò)0.2A每平方厘米時(shí)，就可能對(duì)軸承產(chǎn)生電蝕。

可以使用萬(wàn)用表檢測(cè)軸電流與軸電壓。也可以使用示波器查看軸電壓情況。可以反映出發(fā)電機(jī)軸對(duì)地放電的程度。電流過(guò)大電壓過(guò)高，預(yù)示著對(duì)軸承的電腐蝕越強(qiáng)。

2.2 發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)問(wèn)題 發(fā)電機(jī)的接地系統(tǒng)主要是集電環(huán)的接地。集電環(huán)接地電刷造成滑環(huán)或接地環(huán)表面接觸面積太小(要求≥80%)，或僅局部接觸，造成通過(guò)電流急劇增大，使滑環(huán)或接地環(huán)表面產(chǎn)生電蝕，即出現(xiàn)點(diǎn)蝕或小坑，使滑環(huán)或接地環(huán)表面變得粗糙，嚴(yán)重地破壞了表面的氧化膜，使得電刷磨損變快。同時(shí)粗糙的表面也使得電刷的接觸面積變得更小，如此惡性循環(huán)，表面會(huì)越來(lái)越粗糙，電刷會(huì)磨損越來(lái)越快。

集電環(huán)接地效果不斷惡化，軸電壓就會(huì)找新的出路來(lái)釋放，造成軸承的電蝕，最終會(huì)導(dǎo)致軸承失效。

2.3 檢查軸承是否存在損傷 檢查軸承是否存在方法主要是聽(tīng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音是否平滑，檢測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)是否超標(biāo)。

檢查軸承潤(rùn)滑是否充分。軸承潤(rùn)滑不充分主要是潤(rùn)滑油加注不及時(shí)，目前發(fā)電機(jī)一般都采用自動(dòng)潤(rùn)滑。所以要檢查自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。還有一個(gè)原因就是潤(rùn)滑油失效，在排除潤(rùn)滑油本身的問(wèn)題后，在風(fēng)電上引起潤(rùn)滑油失效的原因是軸電流引起的潤(rùn)滑油碳化。

如果軸承潤(rùn)滑不充分，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，就會(huì)出現(xiàn)溫度升高，

2.4 發(fā)電機(jī)不對(duì)中問(wèn)題 用激光對(duì)中儀檢查發(fā)電機(jī)是否存在不對(duì)中問(wèn)題。如果發(fā)電機(jī)對(duì)中達(dá)不到要求，發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中就會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)軸承施加額外的載荷。軸承在額外載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生高溫。高溫不僅會(huì)加快潤(rùn)滑油的失效，使?jié)櫥Ч麗夯視?huì)使軸承內(nèi)圈受熱后材料軟化與滾動(dòng)體相互作用形成凹坑；同時(shí)內(nèi)圈發(fā)生膨脹，與轉(zhuǎn)軸發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高溫造成軸承燒死粘合。

3 改造方案

針對(duì)以上原因，我們提出針對(duì)發(fā)電機(jī)軸電流優(yōu)化改造措施分為兩部分：

1)抑制發(fā)電機(jī)軸電流產(chǎn)生，即使用共模扼流圈抑制機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變頻器各自產(chǎn)生的共模電壓；

2)釋放發(fā)電機(jī)軸電流，即采取發(fā)電機(jī)多點(diǎn)接地的方式，將已生成的軸電流釋放到地電位，避免對(duì)軸承產(chǎn)生電蝕。

3.1 加裝共模扼流圈抑制共模電壓

3.1.1 共模扼流圈的原理 為了達(dá)到有效的抑制軸承電壓電流，減少破壞，避免高的維護(hù)，維修，更換成本，減少停機(jī)周期。使用共模扼流圈，中間穿過(guò)變流器輸出端的電纜線是一種十分有效的解決辦法。如下圖所示：

這種方法顯著的提高了電機(jī)的軸承服務(wù)壽命，大大的降低了日后的維護(hù)成本，減少了電機(jī)的停機(jī)周期。最重要的是，我們必須保證所用的共模扼流圈能承受實(shí)際的軸承電壓電流(共模電流，不平衡電流)，即在不平衡電流下工作不能飽和，尤其是當(dāng)他們用在大功率的變頻器系統(tǒng)中的時(shí)候。

3.1.2 共模扼流圈的安裝 由于變流器是所有共模電流/電壓產(chǎn)生的根源，所有需要將磁芯安裝靠近變流器的位置，若是現(xiàn)場(chǎng)的線纜長(zhǎng)度超過(guò)30米，考慮到線纜的分布參數(shù)特性，建議在電機(jī)側(cè)也加裝少量的磁芯，以消除電纜的分布效應(yīng)。

將多個(gè)尺寸合適的疊加在一起(可按實(shí)際結(jié)構(gòu)情況固定)，中間穿過(guò)變頻器輸出端的電纜線，這是一種十分有效的解決辦法。在這種結(jié)構(gòu)中，共模扼流圈起共模電感的作用。

3.1.3 安裝效果測(cè)試 以下示波器波形為某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在滿載的情況下，分別測(cè)試共模扼流圈加裝之前和加裝之后的效果。

共模電流變化對(duì)比，左圖為初始共模電流，共模電流達(dá)到47A，右圖為加裝濾波扼流圈的波形，共模電流為24A，幅值降低23A，49%以上變化，并且寄生高頻毛刺明顯減小。下表為測(cè)試效果對(duì)比：

項(xiàng)目序號(hào)共模電流(A)峰峰 最大 均方根初始數(shù)據(jù) 46.4 22.2 4.94增加扼流圈后 24.8 14.0 3.14

通過(guò)測(cè)試對(duì)比結(jié)果可以明顯看出，共模扼流圈對(duì)抑制共模電流有明顯作用。

3.1.4 共模扼流圈的特點(diǎn)

1)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，不容易飽和，適用于各類(lèi)環(huán)境；

2)高初始導(dǎo)磁率，則意味著高阻抗，抑制效果好；

3)良好的溫度穩(wěn)定性，工作范圍在-40℃-180℃，性能穩(wěn)定，適合各類(lèi)環(huán)境；

4)免維護(hù)，一旦安裝上去，后期無(wú)需維護(hù)，更換；

5)性價(jià)比高，優(yōu)質(zhì)的品質(zhì)，優(yōu)異的效果，較低的價(jià)格；

3.2 加裝發(fā)電機(jī)多點(diǎn)接地釋放軸電流

3.2.1 發(fā)電機(jī)多點(diǎn)接地的原理 在檢查確認(rèn)電機(jī)滑環(huán)室內(nèi)接地連接可靠的前提下，增加輸入端接地措施，從而提升接地可靠性。原理及效果圖如下圖所示：

3.2.2 發(fā)電機(jī)多點(diǎn)接地安裝 由于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組其雙饋異步發(fā)電機(jī)外形機(jī)構(gòu)及工作原理基本一致，下面以天元發(fā)電機(jī)為例，具體改造方法如下：

1)在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸上固定表面光滑的接地環(huán)，使其與發(fā)電機(jī)軸緊密接觸且牢靠。

2)在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸端蓋上安裝接地刷架，并將碳刷報(bào)警接線串聯(lián)到定子接線盒中的集電環(huán)碳刷報(bào)警回路中，如下圖所示：

3)將接地刷架的接地線圍繞電機(jī)引到非驅(qū)動(dòng)端，如下圖所示：

4)將接地線接到非驅(qū)動(dòng)端集電環(huán)地環(huán)地線上通過(guò)轉(zhuǎn)子接線盒導(dǎo)出，如下圖所示：

3.2.3 安裝效果測(cè)試 下圖為在電機(jī)廠家進(jìn)行多點(diǎn)接地改造后的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

下圖為傳動(dòng)端不接刷時(shí)的軸電壓及軸電流。

下圖為傳動(dòng)端接刷時(shí)的軸電壓及軸電流。

1通道 傳動(dòng)端軸對(duì)傳動(dòng)端軸承蓋螺栓的軸電壓

2通道 傳動(dòng)端軸對(duì)非傳動(dòng)端接地塊的電壓

3通道 傳動(dòng)端軸電流

4通道 非傳動(dòng)端軸電流

從兩圖對(duì)比來(lái)看：多點(diǎn)接地對(duì)釋放軸電壓有明顯的效果。