共軛磁環(huán)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組共模電流抑制的研究

劉從來(lái)，張善剛，陳 晨

（國(guó)家能源（山東）電力有限公司，山東 濟(jì)南 250016）

0 引言

某風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)有23 臺(tái)2 MW 雙饋發(fā)電機(jī)組和1 臺(tái)1.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該項(xiàng)目投運(yùn)2 年后，陸續(xù)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸承失效故障，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，失效頻次逐年提高，嚴(yán)重影響了機(jī)組的可靠性，造成維修成本上升，機(jī)組可利用率降低等問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效的發(fā)電機(jī)軸承進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸承失效表面均分布“搓衣板”紋，符合電弧灼傷造成的損傷，初步判定該風(fēng)場(chǎng)軸承失效是由軸承軸電流引起的電腐蝕失效［1］。大量文獻(xiàn)表明引起軸電流的最主要原因是變流器中大量使用高開(kāi)關(guān)頻率的IGBT，IGBT 開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生高頻諧波，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)注入發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)內(nèi)部各部件間形成通路，流經(jīng)轉(zhuǎn)子軸的電流，由于容性阻抗對(duì)高頻諧波失效，在滾珠與滾道接觸面產(chǎn)生電火花放電現(xiàn)象，持續(xù)放電導(dǎo)致滾道表面電腐蝕和潤(rùn)滑脂失效［2］。

通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該電流主要包括du／dt型電流和EDM（Electric Discharge Machining）型電流，通過(guò)擊穿軸承中的潤(rùn)滑油膜形成EDM 尖峰電壓，造成持續(xù)一段時(shí)間后軸承破壞。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此問(wèn)題研究尚處于起步階段，解決的方法有：增加濾波器、采用特制電纜、采用絕緣軸承、方向抵消法、吸收濾波法等。各種方法適應(yīng)場(chǎng)合成熟度以及效果各有差異，有些尚處于研發(fā)階段。

1 共模電流產(chǎn)生機(jī)理

共模電流的產(chǎn)生是因?yàn)樽兞髌髦械姆腔ǜ哳l分量在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)殼、繞組等多處形成感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)主要部分是共模電勢(shì)，也含有由于系統(tǒng)不對(duì)稱及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱而產(chǎn)生的一定分量的差模電勢(shì)。逆變器逆變波形在多數(shù)情況下，因?yàn)閮呻娖绞絇WM 調(diào)制失真，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)分量的高頻波電勢(shì)，電壓越高，電流也越大，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，EDM 型電流會(huì)對(duì)電機(jī)軸承造成損壞，如圖1 所示。

圖1 故障軸承剖面

共模電流主要分為du／dt 型電流、EDM 型電流和環(huán)路型電流，du／dt 和EDM 為非環(huán)路電勢(shì)［3］，非環(huán)路電流是作用在轉(zhuǎn)子軸承上的電流，即軸電流，如圖2 所示。軸電流產(chǎn)生的主要原因有2 個(gè)，一是變流器存在共模電壓，二是高頻信號(hào)下的轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子、機(jī)殼之間具有低阻抗容性通路。

1）du／dt 型電流主要是伴隨著共模電壓產(chǎn)生的，也是流過(guò)軸承的常態(tài)電流，它的本質(zhì)是軸承電容的充電電流，幅值較小，主要為高頻分量。常態(tài)電流如果長(zhǎng)期作用會(huì)造成電介質(zhì)擊穿，腐蝕軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑油脂，從而引發(fā)軸電流的產(chǎn)生。du／dt 型電流的流通路徑為：從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組流向發(fā)電機(jī)主軸流向軸承，再通過(guò)軸承外圈流回發(fā)電機(jī)機(jī)殼。

2）EDM 型電流是流經(jīng)軸承上形成的隨機(jī)尖峰放電電流，每一次尖峰電流對(duì)應(yīng)軸承油膜的一次擊穿放電，其本質(zhì)為短路電流。EDM 型電流是幅值很高的脈沖電流，具有很大的破壞性，能使軸承滾道表面產(chǎn)生搓衣板狀凹槽損傷。當(dāng)電擊產(chǎn)生的共模電壓超過(guò)軸承油膜形成的電介質(zhì)能承受的最大電壓閥值時(shí)，將在軸承上產(chǎn)生所謂的“電火花放電加工”電流，該電流具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，使得軸承滾動(dòng)體與滾道赫茲點(diǎn)接觸處的金屬熔化，熔化后的金屬顆粒被帶到潤(rùn)滑劑當(dāng)中，使?jié)櫥l(fā)生惡化，軸承內(nèi)部的摩擦阻力因此變大，從而對(duì)軸承的滾道造成損傷。

3）環(huán)路型電流誘發(fā)的原因與EDM、du／dt 相似［4-5］，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子到軸承再經(jīng)過(guò)另一個(gè)軸承又回到轉(zhuǎn)子，從而形成一個(gè)回路，從圖2 中可以看出電流回路也經(jīng)過(guò)軸承，也會(huì)對(duì)軸承造成傷害。由于有一部分電流流入了寄生電容，定子繞組流入和流出的電流不相等，因此存在一個(gè)凈電流的高斯面，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高斯脈動(dòng)的凈磁通，該磁通會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而在回路中形成脈動(dòng)的環(huán)路電流。環(huán)路電流的直接來(lái)源不是共模電壓，環(huán)路電流是環(huán)路轉(zhuǎn)軸方向的磁通變化率不為零而感應(yīng)出來(lái)的電流，與非環(huán)路電流有本質(zhì)區(qū)別。環(huán)路電流從電機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸流向軸承，到達(dá)電機(jī)機(jī)殼，再流向電機(jī)的另一個(gè)軸承再返回到電機(jī)主軸上的一個(gè)環(huán)形流通路徑。

由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子側(cè)共模電流很大部分都通過(guò)轉(zhuǎn)子軸，對(duì)軸承形成影響?？紤]到軸電流的測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施較為困難，因此在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)測(cè)試轉(zhuǎn)子共模電流來(lái)代替軸電流，共模電流的大小與軸電流大小呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 共模電流回路

2 共模電流解決方法及抑制原理分析

2.1 抑制共模電流的常用方法分析

國(guó)內(nèi)外有效抑制共模電流的手段還很少，尤其是國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，主要措施是加裝濾波器，使用絕緣軸承，采用特殊電纜和反向抵消等方法。

一般方法制造的濾波器體積較大，計(jì)算不當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生磁飽和，單級(jí)或簡(jiǎn)單的濾波器由于結(jié)構(gòu)限制和原理限制，不能得到良好的濾波效果［6］。要在寬的頻率范圍內(nèi)獲得良好的濾波效果必須采用多級(jí)（多階）復(fù)合式濾波器，不僅體積進(jìn)一步擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且要進(jìn)行復(fù)雜地調(diào)整，工作量十分龐大，造價(jià)昂貴難以實(shí)施。

采用絕緣軸承［7］，不僅造價(jià)昂貴，而且由于缺少了電流通路會(huì)產(chǎn)生比有導(dǎo)電通路狀態(tài)下更高的尖峰電壓，如不吸收，會(huì)對(duì)絕緣造成威脅，但軸承故障可以改善。

采用特殊結(jié)構(gòu)的電纜，本質(zhì)上是吸收加屏蔽的電纜，不僅存在吸收濾波效果與電纜長(zhǎng)度相關(guān)的問(wèn)題，同時(shí)由于要求材料柔軟、吸收效果好，絕緣層勢(shì)必加厚，對(duì)于等尺寸電纜，載流量下降，散熱效果變差。因此，限制了該類(lèi)電纜的廣泛應(yīng)用。

反向抵消方法尚處于研究階段，實(shí)用例子不多，受限于頻率響應(yīng)寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的反向信號(hào)放大迭加設(shè)備。目前只應(yīng)用于小功率開(kāi)關(guān)電源、逆變器。

隨著新材料出現(xiàn)，新型材料納米晶磁環(huán)在電磁兼容領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如變流器門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路采用磁環(huán)，增加抗干擾性。在風(fēng)電機(jī)組上，主控與各設(shè)備間的通信易受到干擾，通常會(huì)在通信回路上增加抗干擾磁環(huán)。隨著磁環(huán)應(yīng)用逐漸廣泛，新材料納米晶磁環(huán)在高頻吸收效果和電流飽和度方面得到了大幅提升，在轉(zhuǎn)子輸出側(cè)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)加裝新材料的共模扼制磁環(huán)，吸收轉(zhuǎn)子高頻成份，降低共模電流，技術(shù)上有了可能性。納米晶磁環(huán)不僅安裝方便，而且可采用非接觸式安裝方式，對(duì)原有系統(tǒng)本身不造成影響，也使得這種應(yīng)用能夠得到發(fā)展。

圖3 為環(huán)形納米晶磁環(huán)，納米晶磁芯具有較高的導(dǎo)磁率，頻率特性寬，30 MHz 高頻仍有導(dǎo)磁率。非常適用于EMC 濾波器、共模電感，以抑制共模噪聲和共模電勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)軟磁材料，比如鐵氧體磁芯，納米晶磁芯具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如電感量高，濾波效果好，體積小，可根據(jù)安裝要求形成不同尺寸和形狀的磁環(huán)。如圖3 所示，環(huán)形磁環(huán)更適合穿通式安裝，可獲得較高電感量，利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可對(duì)共模電勢(shì)造成很大衰減。

圖3 環(huán)形納米晶磁環(huán)

2.2 共模磁環(huán)的工作原理

在轉(zhuǎn)子電纜輸出側(cè)上加裝納米晶磁環(huán)，當(dāng)不平衡交變電流（高頻諧波）通過(guò)磁芯時(shí)，在磁芯內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在磁芯內(nèi)部形成一個(gè)閉合的回路?；芈分械碾娏鳟a(chǎn)生熱量，選擇合理參數(shù)的磁芯從而控制產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小，進(jìn)而在不破壞磁芯物理結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下自然冷卻，同時(shí)該過(guò)程持續(xù)消耗不平衡電流。如圖4 所示，藍(lán)色箭頭Iload表示正常轉(zhuǎn)子負(fù)載電流，紅色箭頭IRF表示轉(zhuǎn)子電流中含有的諧波電流。

當(dāng)轉(zhuǎn)子電流穿過(guò)納米晶磁環(huán)時(shí)，低頻基波電流會(huì)正常通過(guò)，因?yàn)榛▽傩允侨嗖钅Ｐ再|(zhì)u.=u.a+u.b+u.c。共模電感不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生衰減，但高頻諧波電流會(huì)在磁環(huán)上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成閉合回路，感應(yīng)電流以熱量的形式消耗掉。

圖4 磁環(huán)感應(yīng)

納米晶磁環(huán)內(nèi)部為特殊的鐵芯材料，按照特殊工藝加工而成環(huán)形，形成阻抗。磁環(huán)的特性參數(shù)的選擇直接關(guān)系共模電流抑制效果。

式中：Z（f）為磁芯阻抗；ω 為角速度；f 為頻率；Ae磁環(huán)截面積；μ（f）為磁導(dǎo)率；n 為電纜繞線圈數(shù)；μ0為磁導(dǎo)常數(shù)；l 為磁環(huán)長(zhǎng)度；L（f）為磁芯電感。

納米晶磁環(huán)的阻抗高低與μ（f）Ae、l 有關(guān)。隨著磁芯材質(zhì)技術(shù)不斷突破，磁環(huán)吸收高頻諧波的性能越來(lái)越強(qiáng)。如圖5 所示，Z（f）與頻率f 的關(guān)系，隨頻率增加，阻抗增加。

圖5 納米晶磁芯阻抗與電感隨頻率變化曲線

3 工程實(shí)施

對(duì)該風(fēng)場(chǎng)5 號(hào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)共模電流進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)共模電流峰值近126 A，如圖6 所示。另選鄰近4 臺(tái)機(jī)位進(jìn)行了測(cè)試，共模電流峰值均在100～120 A 左右，所測(cè)幾臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)共模電流大小基本一致。

該風(fēng)場(chǎng)共模電流測(cè)試數(shù)據(jù)，與其他風(fēng)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)明顯偏高。其他風(fēng)場(chǎng)2 MW 機(jī)組共模電流測(cè)試數(shù)據(jù)在40～80 A 范圍內(nèi)，超過(guò)100 A 的案例極為罕見(jiàn)，因此該風(fēng)場(chǎng)共模電流數(shù)據(jù)也直接驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)軸承故障頻發(fā)由電腐蝕引起的。

圖6 共模電流（安裝前）

共模電流主要來(lái)源在于變流器高頻開(kāi)斷，通過(guò)對(duì)5 號(hào)共模電流進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖7 所示，基波幅值（50 Hz）為4.131 A，共模電流高頻次主要分布在10～25 kHz。

圖7 共模電流頻譜（安裝前）

根據(jù)所測(cè)共模電流的大小和頻次分布，選用對(duì)應(yīng)的磁環(huán)，在變流器轉(zhuǎn)子輸出側(cè)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間配置14 個(gè)磁環(huán)，如圖8 所示。安裝磁環(huán)后，共模電流降低到64 A，安裝磁環(huán)后所測(cè)共模電流如圖9 所示，頻譜如圖10 所示，基波幅值（50 Hz）為3.854 A。

圖8 磁環(huán)安裝

圖9 共模電流（安裝后）

圖10 共模電流頻譜（安裝后）

從圖6 和圖9 的對(duì)比中看出，共模電流峰值由安裝前的126 A 下降到64 A，從圖7 和圖10 的對(duì)比中可以看出，高頻波的總含量下降了近50%以上，各頻次波含量均不程度下降，尤其在10～25 kHz 范圍內(nèi)最為明顯，因此可以看出，納米晶磁環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)共模電流有明顯的抑制作用。

共模電流主要由轉(zhuǎn)子側(cè)du／dt 和尖峰電壓放電形成的電流以及環(huán)路電流，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)安裝納米磁環(huán)對(duì)共模電流中高頻波形成有效吸收，可以有效降低共模電流大小，同時(shí)du／dt 和尖峰電壓也得到改善。

從上述對(duì)比結(jié)果可以看出，納米磁環(huán)吸收了大量高頻分量后，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓波形得到明顯的改善。共模電壓改善的同時(shí)共模電流也得到大幅改善，轉(zhuǎn)子側(cè)輸出共模電流大幅下降50%，可以明顯改善了軸承的運(yùn)行環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因變流器轉(zhuǎn)子側(cè)輸出共模電流較高，對(duì)軸承的安全運(yùn)行造成了威脅。引起共模電流的因素較多，改進(jìn)方法也各不相同，其中有些改進(jìn)方法涉及變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)，例如改為五電平或多電平式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，會(huì)大幅度減小du／dt電壓變化率進(jìn)而減小EDM 型電流；或者在變流器結(jié)構(gòu)上放置納米晶磁芯濾波器等措施，都可以大幅減小共模電流。

因此引入新材料的納米晶磁環(huán)，通過(guò)感應(yīng)原理以熱量形式將轉(zhuǎn)子側(cè)高頻諧波分量吸收，降低了注入發(fā)電機(jī)側(cè)的共模電流，減少對(duì)發(fā)電機(jī)軸承的電腐蝕。

由于目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有明確定義發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的共模電流、共模電壓等相關(guān)指標(biāo)，不同發(fā)電機(jī)廠家電機(jī)制造工藝也存在差異，因此風(fēng)電場(chǎng)軸承電腐蝕解決方案缺乏統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)采用納米晶磁環(huán)將共模電流降低了50%，是否已經(jīng)達(dá)到了軸承的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)還需要對(duì)軸承運(yùn)行狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)控，長(zhǎng)期的跟蹤管理可為今后建立發(fā)電機(jī)軸承安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

由于各風(fēng)電機(jī)組的狀況不同，因此在本案例基礎(chǔ)上，還需深入研究變流器轉(zhuǎn)子波形輸出特性，通過(guò)理論分析加測(cè)試，形成持續(xù)改進(jìn)降低共模電流的方案，可結(jié)合共模電流的頻次分布，考慮通過(guò)常規(guī)的阻容電路、改善接地等多種方案共施，再結(jié)合磁環(huán)高頻優(yōu)勢(shì)，選擇更經(jīng)濟(jì)、更有效的綜合方案降低共模電流，改善軸承運(yùn)行狀況。