某雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)改造方案研究

擺念宗

雙饋異步發(fā)電機是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主流的發(fā)電機形式之一。與其他發(fā)電機不同，雙饋異步發(fā)電機通過變頻器在轉(zhuǎn)子繞組中施加不同頻率的交流勵磁電流，以實現(xiàn)定子側(cè)恒定頻率的輸出。但由于運行環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜多變，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機在長期運行過程中會出現(xiàn)各類故障，如定轉(zhuǎn)子繞組接地、匝間短路、繞組斷相、軸承點蝕、軸承漏油等。此外，風(fēng)力發(fā)電機在設(shè)計、制造或安裝時也會出現(xiàn)問題，如發(fā)電機定轉(zhuǎn)子相間不平衡、相間絕緣電阻低、軸承密封不良、軸承潤滑不良、轉(zhuǎn)子極間聯(lián)線以及引出線設(shè)計不合理等。

相比于環(huán)境因素，這些由設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)引發(fā)的問題和缺陷大大增加了發(fā)電機發(fā)生故障的概率，導(dǎo)致現(xiàn)場頻繁出現(xiàn)發(fā)電機故障甚至損壞的情況，不僅給風(fēng)電場運維帶來極大的困難，大量的故障維修也會造成風(fēng)電場的電量損失，尤其是更換發(fā)電機的周期較長，導(dǎo)致電量損失更多。高故障率還會導(dǎo)致額外的備品備件費用、大部件更換費用等，從而造成維修成本顯著增高。因此，有必要分析發(fā)電機故障原因，并采用針對性的技術(shù)改造方案，以提高設(shè)備可靠性。

某風(fēng)電場1.5MW雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機，在運行過程中頻繁出現(xiàn)各類故障，主要包括轉(zhuǎn)子斷相、轉(zhuǎn)子接地、轉(zhuǎn)子相間電阻不平衡、發(fā)電機振動、發(fā)電機內(nèi)部漏油等。通過對各類故障進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)該型號發(fā)電機在軸承絕緣、轉(zhuǎn)子極間聯(lián)線、發(fā)電機軸承油槽密封等方面存在設(shè)計缺陷，從而導(dǎo)致風(fēng)電機組在運行過程中頻繁出現(xiàn)同類故障。本文以該風(fēng)力發(fā)電機為例，探究了導(dǎo)致各類故障的設(shè)計缺陷，并針對各種缺陷提出了有效減少發(fā)電機故障的技術(shù)改進(jìn)方案。

風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)及參數(shù)

國內(nèi)某風(fēng)電場風(fēng)電機組采用1.5MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，其主要參數(shù)如表1所示。

雙饋異步發(fā)電機主要包括定子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)軸及軸承、集電環(huán)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、前后端蓋、機座等。定子系統(tǒng)主要包括定子繞組和定子鐵心，定子三相繞組直接與電網(wǎng)側(cè)連接，對外輸出電能。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子繞組和鐵心，轉(zhuǎn)子繞組三相交流引出線與集電滑環(huán)連接，通過集電滑環(huán)與變流器轉(zhuǎn)子側(cè)連接，再由變流器經(jīng)過AC/ DC和DC/AC變換與電網(wǎng)側(cè)連接。變流器為轉(zhuǎn)子提供變頻的三相交流勵磁電流，以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機復(fù)雜的運行工況。軸承系統(tǒng)包括發(fā)電機前后軸承、潤滑系統(tǒng)等。軸承與轉(zhuǎn)軸采用過盈配合連接，轉(zhuǎn)軸驅(qū)動端通過聯(lián)軸器與齒輪箱連接，受機械驅(qū)動帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

風(fēng)力發(fā)電機故障缺陷分析

隨著運行時間的增加，該機組發(fā)電機頻繁發(fā)生故障。2015年，更換發(fā)電機的次數(shù)高達(dá)10次；2016年，更換發(fā)電機10次，塔上修復(fù)6次；2017年，更換發(fā)電機17次，塔上修復(fù)8次，技改3次；2018年，更換發(fā)電機8次，塔上修復(fù)14次。

統(tǒng)計顯示，該型號風(fēng)力發(fā)電機的主要故障包括轉(zhuǎn)子斷相、轉(zhuǎn)子接地、轉(zhuǎn)子相間電阻不平衡、轉(zhuǎn)子直流電阻不平衡、定子絕緣擊穿、振動大。其中，轉(zhuǎn)子斷相故障率最高，且故障次數(shù)逐年增多。轉(zhuǎn)子斷相的原因有很多，如極間聯(lián)線斷裂、轉(zhuǎn)子引出線斷裂、轉(zhuǎn)子線圈燒毀等，而其深層原因可歸結(jié)為軸承損壞導(dǎo)致振動過大、極間聯(lián)線因設(shè)計不合理受力過大、轉(zhuǎn)子引出線因安裝不合理受剪切斷裂等。

通過對該型號風(fēng)力發(fā)電機的故障問題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該發(fā)電機在設(shè)計、制造、工藝等方面存在的缺陷主要包括：（1）發(fā)電機軸承系統(tǒng)絕緣設(shè)計不合理，軸承電腐蝕情況較嚴(yán)重。（2）發(fā)電機驅(qū)動端無接地裝置。（3）轉(zhuǎn)子極間聯(lián)線圓弧設(shè)計、安裝不合理。（4）轉(zhuǎn)子引出線安裝不合理。（5）發(fā)電機兩端軸承密封較差，發(fā)電機端蓋及發(fā)電機內(nèi)部漏油嚴(yán)重。

技術(shù)改造方案

一、發(fā)電機軸電流技術(shù)改造方案

為了有效減少軸電流對軸承的電腐蝕，一方面，可以采取措施阻斷感應(yīng)電流從軸承流過；另一方面，可以將軸電流引到大地散流。因此，本文采用的軸電流改造方案主要涉及發(fā)電機端蓋、發(fā)電機軸承和轉(zhuǎn)子接地。

（一）發(fā)電機端蓋技術(shù)改造方案

本文所述雙饋風(fēng)力發(fā)電機采用絕緣軸承，以防止軸電流造成的電蝕危害。由于軸承采用了絕緣結(jié)構(gòu)，發(fā)電機端蓋的結(jié)構(gòu)因此也比較簡單（見圖1）。由于端蓋與軸承接觸部分為金屬材料，當(dāng)軸承發(fā)生絕緣損壞時，軸電流將沿著“轉(zhuǎn)子―軸承―金屬端蓋―機殼”形成通路，流經(jīng)軸承的軸電流容易造成軸承電蝕，進(jìn)而造成軸承的損壞。

為了有效防止軸承絕緣損壞時發(fā)生軸承電蝕的現(xiàn)象，需要對原有發(fā)電機端蓋進(jìn)行技術(shù)改造。根據(jù)軸電流機理，在軸承系統(tǒng)中增加絕緣層可以阻斷軸電流通路，具體方法包括采用絕緣軸承、絕緣端蓋以及絕緣軸承座。因此，本文采用絕緣端蓋和絕緣軸承座來提高軸承系統(tǒng)絕緣的可靠性。

如圖1所示，原有發(fā)電機端蓋與軸承座為一體結(jié)構(gòu)。結(jié)合原發(fā)電機的機械結(jié)構(gòu)，本文將原發(fā)電機端蓋改造為端蓋加裝絕緣軸承座的結(jié)構(gòu)，即將原發(fā)電機端蓋的軸承座部分去除，只保留端蓋本體，然后在端蓋內(nèi)圈加裝帶絕緣層的軸承座。端蓋與絕緣軸承座采用螺栓組裝固定，改造后的絕緣端蓋如圖2所示。由于端蓋與軸承座之間采用螺栓連接，為保證絕緣的有效性，在螺栓外部也需要加裝絕緣套管。

（二）發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地系統(tǒng)技術(shù)改造方案

本文中討論的雙饋風(fēng)力發(fā)電機未在驅(qū)動端設(shè)計接地裝置。根據(jù)軸電流機理，安裝轉(zhuǎn)子接地系統(tǒng)，將軸電流直接導(dǎo)入大地，也能夠防止軸電流通過軸承產(chǎn)生回路。因此，可在絕緣端蓋設(shè)計的基礎(chǔ)上，在驅(qū)動端增加接地裝置，提高軸承抗軸電壓的能力。

接地裝置有銅編織線和接地碳刷兩種?？紤]到接地裝置的安全性、可靠性等因素，本文采用加裝接地碳刷的方案（見圖3）。具體方案為在發(fā)電機驅(qū)動端加裝一套軸頭接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)包含碳刷裝置和接地線兩部分：碳刷裝置主要由碳刷、碳刷支撐架、碳刷固定體、彈性連接片、卷簧等部件組成；接地線則主要是在端蓋和機座、滑環(huán)室與端蓋、接地碳刷與端蓋之間安裝，保證各個安裝部件的可靠接地。

二、發(fā)電機軸承油槽技術(shù)改造方案

根據(jù)現(xiàn)場運維情況，本文所述雙饋式發(fā)電機軸承出現(xiàn)故障的情況較多。一方面，變流器諧波電壓導(dǎo)致產(chǎn)生軸電壓，當(dāng)軸電壓大到一定程度將擊穿軸承潤滑油膜，加之軸承絕緣損壞，軸電壓將沿著“轉(zhuǎn)子―軸承―金屬端蓋―機殼”形成通路產(chǎn)生軸電流，從而造成軸承電蝕燒毀；另一方面，該電機在初期生產(chǎn)過程中質(zhì)量管控不到位，內(nèi)軸承蓋進(jìn)油槽與端蓋加油孔安裝時未對正，外軸承蓋存在鑄造缺陷造成出油孔淺，這些都將直接影響軸承的潤滑情況，最終損壞軸承。該發(fā)電機軸承原設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖可以看出，潤滑脂從軸承外蓋加入，經(jīng)過端蓋進(jìn)油孔、軸承內(nèi)蓋油槽，進(jìn)入軸承內(nèi)部對軸承進(jìn)行潤滑。雖然在發(fā)電機外側(cè)有擋油環(huán)，但由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部有冷卻風(fēng)扇，其使得發(fā)電機端蓋與轉(zhuǎn)軸根部形成負(fù)壓區(qū)，而原發(fā)電機內(nèi)側(cè)僅靠凹槽密封，因此，在發(fā)電機運行過程中油脂就容易被負(fù)壓區(qū)的壓差吸入電機內(nèi)部，從而導(dǎo)致發(fā)電機內(nèi)部油脂較多。以上這些問題都嚴(yán)重影響了發(fā)電機的正常運行。

為了解決軸承漏油的問題，針對漏油的發(fā)電機，可對軸承的油槽密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造，改造后的軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。由圖可以看出，本方案在兩端軸承內(nèi)外蓋內(nèi)分別增加了油封，并且油封采用了迷宮式密封方式，從而大大延長了油路密封距離，能夠有效防止軸承潤滑油脂被吸入發(fā)電機內(nèi)部。在軸承迷宮油封的設(shè)計和安裝中，需要重點考慮軸向、徑向的定位和緊固，以及油封間隙等參數(shù)，軸承油封可采用過渡或過盈配合與主軸固定。通過該方案改造，能夠保證油路通道的暢通，有效保證軸承潤滑良好。

三、發(fā)電機轉(zhuǎn)子極間聯(lián)線技術(shù)改造方案

轉(zhuǎn)子極間聯(lián)線，又稱過橋線，其作用是將同一相的兩個線圈組串聯(lián)起來。本文所述雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子有3根極間聯(lián)線，每相一根，由單根銅扁線折彎而成（見圖6）。根據(jù)現(xiàn)場運維記錄，該雙饋發(fā)電機在運行過程中普遍存在過橋線斷裂、燒毀等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)電機的正常運行。

通過分析雙饋發(fā)電機的故障發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子過橋線所受離心力過大，且支撐點過少。一方面，離心力通過過橋線圓角傳遞至過橋線根部，圓角弧度過小，導(dǎo)致應(yīng)力集中；另一方面，轉(zhuǎn)子長期振動也會導(dǎo)致過橋線疲勞斷裂。

因此，為了解決以上設(shè)計缺陷，需要對該雙饋發(fā)電機的過橋線進(jìn)行改造，消除發(fā)電機故障隱患，保證設(shè)備安全可靠運行。基于雙饋發(fā)電機過橋線故障分析結(jié)果，可以從兩個方面對其進(jìn)行改造：一是重新設(shè)計過橋線結(jié)構(gòu)，增大過橋線圓角弧度，起到減小應(yīng)力集中的作用；二是增加過橋線固定點和支撐點，減小根部圓角的應(yīng)力集中，減少振動。

（一）過橋線結(jié)構(gòu)改造

本文采用如圖7所示的過橋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)增大了過橋線圓角弧度，可有效減小應(yīng)力集中。改造后的轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

（二）過橋線支撐點改造

目前，增加過橋線固定點和支撐點的方法主要有3種：一種是在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上加裝一個鋼環(huán)，用綁扎繩把過橋線圓弧部分綁在鋼環(huán)上，從而大幅減小過橋線內(nèi)部應(yīng)力；另一種是在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上加裝一個帶銅端環(huán)的剛性支架，銅端環(huán)與轉(zhuǎn)子線圈焊接，并綁扎固定，替代原有過橋線；還有一種是在過橋線與轉(zhuǎn)子繞組間隙填充材料（見圖9），達(dá)到支撐過橋線以減小應(yīng)力的目的。

若考慮改造效果，方法一和方法二固定點、支撐點、綁扎點多，效果優(yōu)于方法三，但是工藝較復(fù)雜，成本較高；若考慮施工難度和成本控制，則方法三更加簡便快捷，也能起到減小應(yīng)力集中的效果。

因此，通過改造過橋線，一方面，增大過橋線圓角弧度，有效減小根部圓角應(yīng)力集中；另一方面，增加過橋線的固定點，從而減少振動，最終有效減少過橋線的疲勞斷裂故障。

結(jié)論

本文針對國內(nèi)某風(fēng)電場1.5MW雙饋式發(fā)電機的缺陷和故障，提出了具體、針對性的解決方案。對于發(fā)電機軸承電腐蝕問題，結(jié)合發(fā)電機原有結(jié)構(gòu)，提出采用絕緣軸承端蓋和軸承座的形式，并加裝轉(zhuǎn)子接地系統(tǒng)；對于軸承油槽漏油問題，提出將原有油封改為迷宮式密封的方式；對于轉(zhuǎn)子過橋線斷裂問題，提出采用加大圓角弧度和增加支撐點的方法，從而減小轉(zhuǎn)子過橋線應(yīng)力集中。

目前，本文所述各技術(shù)改造方案已在在役風(fēng)電機組的發(fā)電機中實施應(yīng)用，經(jīng)過改造后的發(fā)電機運行狀況明顯改善，未再出現(xiàn)同類故障。可見，本文所述發(fā)電機技術(shù)改造方案，解決了該雙饋式發(fā)電機原有的設(shè)計缺陷，有效減少了設(shè)備的故障次數(shù)，保障了風(fēng)電機組的安全運行。

（作者單位：中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗研究院 ）