雙饋式風電機組發(fā)電機軸承失效分析及預防措施

盧 源

（國電廣西新能源開發(fā)有限公司，廣西南寧 530007）

0 引言

發(fā)電機作為風力發(fā)電機組的最重要部件，其運行穩(wěn)定性直接影響著風力發(fā)電機組的運行。隨著風力發(fā)電機組運行時間增加，風力發(fā)電機組軸承故障的情況也增多，由此帶來的維護成本也不斷增加，風力發(fā)電機組運行可靠性下降。雙饋式風機發(fā)電機軸承失效已成為我國風電行業(yè)比較嚴重及普遍存在的問題[1]，急需有效的預防措施。

1 運行情況

某風電場安裝1.5 MW 雙饋異步四極風力發(fā)電機組，風機位于海拔約1000 m 的高山區(qū)域，常年濕度、霧氣較大。運行兩年多年后發(fā)電機軸承經(jīng)常報高溫預警，現(xiàn)場檢查軸承響聲較大，累計更換過發(fā)電機軸承的風機數(shù)達總風機數(shù)一半，其中更換的風機中90%更換過發(fā)電機前后軸承，多次更換軸承的風機數(shù)達1/3。發(fā)電機軸承故障極大降低了風機可利用率，增加風機維護成本。發(fā)電機軸承故障成為該風電場風機維護的最大問題。

2 發(fā)電機維護情況

發(fā)電機為雙饋異步四級發(fā)電機，額定功率1.5 MW，發(fā)電機軸承為SKF 進口軸承，潤滑脂原為美孚320，運行1 年半左右更換為克虜伯114 潤滑脂。潤滑脂加注形式為手動加注，風電場6個月加注一次潤滑脂，每次使用手動黃油槍以壓柄最大行程加注80 下，碳刷為多個品牌混用。

3 失效情況

根據(jù)現(xiàn)場更換出來的故障軸承看，80%故障軸承外圈滾子槽出現(xiàn)不同程度的波紋式磨損，潤滑脂結(jié)塊變硬，軸承潤滑脂廢油孔無積油。集電環(huán)室碳粉多，碳刷磨損不均勻，多臺次發(fā)電機出現(xiàn)集電環(huán)燒毀或電弧灼燒情況。

4 維護措施

軸承是旋轉(zhuǎn)機械的重要部件，軸承失效可能由很多因素引起：潤滑失效、超負荷運行、安裝拆卸不當、密封失效、電腐蝕等[2]。根據(jù)可能引起軸承故障的原因，風電場在一年時間采取一系列防范措施。

4.1 增加加油量及縮短加油間隔

由于風電機組運行在潮濕、高溫、低溫、鹽霧等惡劣環(huán)境及發(fā)電機軸承排油孔設計不合理，發(fā)電機軸承潤滑情況不理想。按照風機維護手冊發(fā)電機軸承加油要求進行維護，6 個月加注80 g，但從損壞拆下的軸承潤滑情況看，已經(jīng)按指導手冊按時加注潤滑油，但軸承滾子滾槽還是很干澀，達不到潤滑要求。80 g 潤滑油使用手動黃油槍加注時間大約為2 min，加注潤滑油時發(fā)電機軸承可能是靜止或低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，潤滑油加注量少且加注時間短，新加注的潤滑油不能分布于整個軸承的滾子及滾子槽道，改善潤滑作業(yè)極小。長此以往，運維人員以為已經(jīng)按時加注潤滑油，實則潤滑情況未得到改善，最后導致潤滑失效，軸承磨損。故風電場要求縮短加油間隔，3 個月加注一次，每次使用手動黃油槍最大行程加注160 下，加注時開槳讓發(fā)電機轉(zhuǎn)起來，加注時間不宜過快，需持續(xù)3 min。更改過發(fā)電機潤滑油加注要求后，發(fā)電機軸承潤滑情況得到極大改善。

4.2 使用同一品牌的碳刷

風電場原使用的碳刷品牌多達3 種，同一臺發(fā)電機的集電環(huán)同時使用不同碳刷，存在不同品牌碳刷磨損不均勻的情況，碳粉堆積多，對集電環(huán)存在一定隱患，碳粉還會從縫隙進入軸承潤滑脂內(nèi)。風電場要求同一臺風機只能使用同一品牌碳刷，要求定期將集電環(huán)室下通風口清理干凈，保證碳粉及時排除，避免堆積過多。

4.3 統(tǒng)一使用絕緣軸承

發(fā)電機出廠時一個軸承為絕緣軸承（軸承內(nèi)圈與軸接觸部分涂有絕緣介質(zhì)），一個軸承為非絕緣軸承（采用端蓋絕緣結(jié)構）。非絕緣軸承存在感應電流對軸承的電蝕危害，電流對潤滑脂和滾動體、滾道造成損壞，降低軸承的使用壽命[3-4]。在需要更換的軸承中若有非絕緣軸承的，則更換為絕緣軸承，降低軸電流的危害。

4.4 規(guī)范軸承更換工藝

發(fā)電機使用的是深溝球軸承，采用過盈配合和加熱法裝配。部分軸承更換時，因其他因素，更換人員不使用軸承專用加熱器加熱，而是將軸承浸泡在液壓站油里，再用電磁爐加熱液壓站油的方法來加熱軸承。該方法僅憑更換人員經(jīng)驗來判斷軸承溫度，溫度控制不準，軸承受熱不均勻，液壓站油殘留在軸承上，也一定程度降低了潤滑脂的潤滑效果。若溫度過高，會使軸承產(chǎn)生回火，致使硬度變低，運行中軸承就容易磨損、剝落[5-6]。經(jīng)專業(yè)人員要求后，風電場要求軸承加熱必須使用軸承加熱專用器，將軸承中心對準加熱器中心，嚴格控制溫度不要超過120 ℃，盡量只加熱一次就裝配上，避免多次加熱。

4.5 規(guī)范發(fā)電機機械對中工藝

發(fā)電機組更換齒輪箱側(cè)（驅(qū)動側(cè)）軸承后需要進行機械對中，把齒輪箱和發(fā)電機的兩根軸調(diào)整為同一軸線，避免在聯(lián)軸器上形成較大應力，產(chǎn)生較大振動，確保機組穩(wěn)定運行[7]。機械對中數(shù)據(jù)滿足要求后，發(fā)電機4 顆地腳螺栓要按對角順序分兩次打標準力矩，第一次打500 N·m，第二次打滿。打完500 N·m 力矩后，再次用對中儀檢測對中結(jié)果是否在允許的范圍內(nèi)，否則要重新對中，如果在范圍內(nèi)就進行第二次打標準力矩。實際對中過程，往往打完第一次標準力矩500 N·m 后，再檢測時，數(shù)據(jù)往往就會超出允許范圍，維護人員需要對中無數(shù)次才能滿足規(guī)范要求，需要耗費大量體力、精力、時間，特別是在剛換完軸承后，人員已經(jīng)疲憊的情況。所以很多對中人員在好不容易數(shù)據(jù)滿足要求后，打完第一次力矩后不再檢驗，就直接打第二次力矩。風電場了解到這種情況后，機械對中時安排專人監(jiān)督，嚴格要求打滿力矩后再進行一次校驗，校驗必須滿足要求，方可結(jié)束對中工作。

4.6 發(fā)電機軸加裝接地系統(tǒng)

雙饋式異步發(fā)電機通過變頻器IGBT 給發(fā)電機轉(zhuǎn)子供電，實現(xiàn)對電能質(zhì)量的控制，保證發(fā)電機輸出電能。變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供電壓脈沖，發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸、軸承和機座中形成高頻環(huán)流。軸承轉(zhuǎn)動過程也產(chǎn)生靜電放電及發(fā)電機磁場不對稱也會使發(fā)電機軸帶電[8]。發(fā)電機產(chǎn)生的這些電經(jīng)集電環(huán)上的接地碳刷快速導入大地，避免軸承長時間出現(xiàn)過電流，產(chǎn)生電腐蝕。但集電環(huán)的接地碳刷只形成一側(cè)接地，且由于碳粉吸附、碳刷磨損、松動等情況，導致轉(zhuǎn)子軸接地不良，轉(zhuǎn)子軸上的電流就不能快速導入大地消除，從而通過軸承發(fā)電，產(chǎn)生軸承過電流，最終引起發(fā)電機電腐蝕失效。風電場在驅(qū)動端側(cè)（齒輪箱側(cè)）發(fā)電機軸上加裝1 組轉(zhuǎn)軸接地系統(tǒng)，形成發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸對稱的兩側(cè)同時接地，能可靠保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子有良好接地，利于發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸電流導出，消除軸電流的危害。

4.7 安裝傳動鏈監(jiān)測系統(tǒng)

在發(fā)電機、齒輪箱、主軸相關位置安裝振動監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測風機傳動鏈的振動情況，在軸承出現(xiàn)磨損的前期就知道預警，及早做好防止進一步惡化的措施[9-10]。監(jiān)測系統(tǒng)可以預警軸承缺油、早期磨損、地腳螺栓松動等癥狀，通過實時監(jiān)控，保護風機傳動鏈的大部件。

5 改造效果

風電場根據(jù)發(fā)電機軸承頻繁損壞，依次采取上述一系列措施，在發(fā)電機驅(qū)動端加裝轉(zhuǎn)子軸接地裝置，將損壞的非絕緣軸承更換為絕緣軸承。嚴格規(guī)范軸承更換工藝，要求使用軸承專用加熱器加熱軸承，要求機械對中打滿力矩后再檢驗一次對中數(shù)據(jù)，對中數(shù)據(jù)必須是滿足要求的，3 個月清理一次集電環(huán)室碳粉，清理原潤滑脂后再添加新潤滑脂，縮短加油間隔并增加加油量，要求加油時發(fā)電機低速轉(zhuǎn)動，加油時間持續(xù)3 min 以上。加裝傳動鏈在線監(jiān)測裝置，每個月出具振動監(jiān)測報告，對磨損出現(xiàn)劣化的情況作出預防措施。通過一系列整改，目前風電場的發(fā)電機軸承運行良好，未出現(xiàn)軸承故障。

6 結(jié)論

發(fā)電機是風力發(fā)電機組的重要部件，發(fā)電機軸承出現(xiàn)故障會使風力發(fā)電機組的發(fā)電效力降低，甚至導致整臺發(fā)電機都需要更換，維修費用巨大。對軸承故障原因作出分析并采取解決措施，效果明顯。給風力發(fā)電機組技術維修提供故障診斷幫助，同時也給軸承制造和安裝部門提供理論研究依據(jù)。