風(fēng)電場雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)異常振動故障及排除措施

鄧亦峰

（國電電力湖南新能源開發(fā)有限公司，長沙 410000）

0 引言

發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組中的核心部件，對于風(fēng)電機(jī)組的安全運行有重要的影響。由于風(fēng)電機(jī)組是在露天環(huán)境下運行，發(fā)電機(jī)設(shè)備部件受外界惡劣環(huán)境影響易發(fā)生故障。其中，異常振動故障在發(fā)電機(jī)故障中比較常見。目前在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用比較廣泛，但由于其運行環(huán)境復(fù)雜且機(jī)組載荷多變，容易產(chǎn)生異常振動，異常振動會破壞電機(jī)的運行穩(wěn)定性，振動過大的話還有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)零部件損壞、主軸彎曲等，甚至可能引發(fā)大軸斷裂、電機(jī)飛車等嚴(yán)重故障，影響風(fēng)電場的安全生產(chǎn)[1]。因此，分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)異常振動的主要原因，并采取科學(xué)的措施減少其異常振動情況，對于提高風(fēng)電機(jī)組的運行穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 風(fēng)電場中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、滑環(huán)、編碼器、潤滑系統(tǒng)等組成，發(fā)電機(jī)整體為箱式結(jié)構(gòu)，一般采用空-水冷方式冷卻。定子繞組和電網(wǎng)相連，可以直接向電網(wǎng)發(fā)電，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器和電網(wǎng)相連，變頻器可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、相位等，讓機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電。該發(fā)電機(jī)只需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的功率進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子的功率比較小，因此，變頻損耗小，可靠性強(qiáng)，而且發(fā)電機(jī)在變速運轉(zhuǎn)時發(fā)出的電高頻諧波含量低，可以實現(xiàn)對風(fēng)能的充分利用。風(fēng)電機(jī)組中的雙饋發(fā)電機(jī)由于其工作環(huán)境特殊，因此其安裝、運行方式等和傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)電機(jī)有明顯的區(qū)別。傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)電機(jī)通常都是剛性安裝，而且運行的功率和轉(zhuǎn)速都在額定范圍內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動力源是風(fēng)能，風(fēng)向、風(fēng)速的變化會讓機(jī)組載荷經(jīng)常發(fā)生變化，而且機(jī)組的構(gòu)成復(fù)雜，不同部件之間相互影響。因此，發(fā)電機(jī)在安裝上有特殊要求。在實際安裝過程中，低速軸安裝要略向上傾斜5°或6°，這樣是為了避免較大風(fēng)速載荷作用下葉片和塔筒相撞，低速軸傾斜安裝導(dǎo)致整機(jī)傳動鏈部件的安裝位置發(fā)生改變[2]。發(fā)電機(jī)通過彈性支撐（一般為金屬和橡膠組合的材料）來固定在支架上，這樣能降低機(jī)架、發(fā)電機(jī)以及其它部件間的相互振動，起到減振作用。

2 雙饋發(fā)電機(jī)常見的異常振動故障及排除措施

2.1 對中不良引起的振動

風(fēng)電機(jī)組的部件多，傳動鏈長，容易出現(xiàn)對中不良，對中不良的主要原因有加工誤差、部件變形、安裝不當(dāng)、工況變化等。加工精度是對中的基礎(chǔ)，但實際上部件的加工精度很難達(dá)到精度要求。因此，加工誤差無法避免。部件變形主要發(fā)生在齒輪箱和發(fā)電機(jī)的彈性支撐中，支撐件的材料一樣，強(qiáng)度一致，但是由于外界環(huán)境影響，支撐件的變形和老化現(xiàn)象不能完全一致，也就導(dǎo)致齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸不對中[3]。在實際運行中，齒輪箱與發(fā)電機(jī)間機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換是通過聯(lián)軸器來實現(xiàn)的，聯(lián)軸器的工況對發(fā)電機(jī)的正常運行有重要的影響。由于運行中風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速及載荷一直處于不斷變化的情況下，發(fā)電機(jī)及聯(lián)軸器的固定螺栓易出現(xiàn)松動，引起發(fā)電機(jī)與齒輪箱出現(xiàn)對中不良，主要表現(xiàn)為平行不對中。聯(lián)軸器的剛度越大，產(chǎn)生的不對中載荷也就越大，而且聯(lián)軸器受力大小和發(fā)電機(jī)的載荷成正比例關(guān)系，發(fā)電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)都會讓聯(lián)軸器的應(yīng)力發(fā)生一次交變，引起軸向或者是徑向的振動。從振動頻譜來看，出現(xiàn)不對中后振動頻率為轉(zhuǎn)子的2倍頻或更高倍頻，更為嚴(yán)重時會出現(xiàn)1/2倍頻、1/3倍頻等，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承振動異常，載荷變化，嚴(yán)重的話還會出現(xiàn)軸承局部磨損等情況。

排除措施：發(fā)電機(jī)安裝過程中，要嚴(yán)格按照安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并做好防松動標(biāo)識。機(jī)組設(shè)計中，要貫徹軸系良好對中的技術(shù)規(guī)范，另外，在發(fā)電機(jī)和齒輪箱之間使用柔性聯(lián)軸器可以降低不對中的影響。在日常維護(hù)中，要定期緊固聯(lián)軸器及發(fā)電機(jī)固定螺栓，防止出現(xiàn)松動情況，并檢查發(fā)電機(jī)的對中情況，提高對中精度。

2.2 轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的振動

轉(zhuǎn)子不平衡的主要原因是轉(zhuǎn)子的質(zhì)心和其軸心存在偏心距，當(dāng)轉(zhuǎn)子圍繞定軸旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生一個離心慣性力。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，偏心距方向不斷變化，離心力方向也就跟著變化，循環(huán)變化的離心力作用到支撐件上就會產(chǎn)生異常振動[4]。離心力的大小和轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布有密切關(guān)系，質(zhì)量分布越不均衡，產(chǎn)生的離心力就會越大，而且離心力會隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而增大，振動頻率為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)頻率或倍頻，有明顯的轉(zhuǎn)頻或倍頻信號。此外，轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡也會導(dǎo)致異常振動，主要是轉(zhuǎn)子線圈局部短路、線圈和線槽間的熱阻差別等導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子受熱不均，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡。

排除措施：轉(zhuǎn)子動平衡的模擬轉(zhuǎn)速盡可能達(dá)到其最大轉(zhuǎn)速，如果條件不允許，動平衡轉(zhuǎn)速可取1000r/min，因為通常雙饋風(fēng)電機(jī)年總載荷時間內(nèi)有將近40%的運行時間是在低速、小功率（930 r/min～1300 r/min）情況下運行，確保這個轉(zhuǎn)速內(nèi)振動要小。進(jìn)行低速動平衡后的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中殘余不平衡量在轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)時有可能產(chǎn)生離心力，因此需要對轉(zhuǎn)子所有部件都進(jìn)行動平衡。為消除轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡現(xiàn)象，在確保轉(zhuǎn)子線圈良好的情況下，通常采用附帶外風(fēng)扇動平衡工藝的方式，如果是大功率電機(jī)，除提高轉(zhuǎn)子平衡精度外，還要確保電機(jī)底腳面和基礎(chǔ)面吻合良好，減少引發(fā)發(fā)電機(jī)異常振動的不利因素[5]。

2.3 定子異常產(chǎn)生的電磁振動

通常情況下，發(fā)電機(jī)工作時間越長，其發(fā)生異常振動的概率越大，主要是隨著發(fā)電機(jī)運行時間的增加，軸承的磨損會加劇，游隙也會增大，緊固件也會出現(xiàn)松動，從而引發(fā)軸擾度增加。發(fā)電機(jī)的這種振動變化是長時間運行導(dǎo)致的，是一個緩慢變化的過程。定子異常導(dǎo)致的磁振動是一種突然性的振動，在較短的時間內(nèi)振幅有明顯的變化，而且伴隨有較大的噪聲（嘯叫聲），與發(fā)電機(jī)長周期運行出現(xiàn)的振動有很大差別。出現(xiàn)定子異常的主要原因是定子繞組突發(fā)性的短路或斷路、電網(wǎng)三相電壓不平衡、重要緊固件突然松動等。此外，定子熱變形也會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)異常振動，主要是由于摩擦和熱沖擊等故障因素會讓定子鐵心表面受熱不均，出現(xiàn)熱變形，導(dǎo)致電機(jī)整體平衡被打破，出現(xiàn)振動超標(biāo)。

排除措施：定期檢查定子繞組，同時校核轉(zhuǎn)子銅排強(qiáng)度，緊固發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部位的緊固件，包括電機(jī)地腳螺栓和機(jī)座上的端蓋螺栓等，減少引發(fā)異常振動的因素。此外，定子在焊接或機(jī)械加工過程中，要重視其應(yīng)力作用，做好熱處理工作，防止其產(chǎn)生熱變形[6]。

2.4 安裝不當(dāng)引發(fā)的振動

從大量的振動測試中得出，安裝方式對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動有很大的影響。通常情況下，發(fā)電機(jī)出廠前都要進(jìn)行振動測試，合格后才可出廠，這說明電機(jī)設(shè)計在出廠前振動測試是符合運行要求的，但是部分發(fā)電機(jī)安裝后存在振動超標(biāo)的現(xiàn)象，這就需要從后續(xù)的安裝使用過程排查故障。不少風(fēng)電場都存在發(fā)電機(jī)安裝不當(dāng)引發(fā)異常振動的情況，主要是因為機(jī)座與臺板接觸不良，機(jī)座的底部墊鐵松動或受力不均，基礎(chǔ)鋼板厚度不夠，底架結(jié)構(gòu)的剛度不符合運行要求，焊接件的熱應(yīng)力處理不充分等，引發(fā)異常振動。

處理措施：安裝時，要確保電機(jī)基礎(chǔ)面清潔，底腳與基礎(chǔ)面基礎(chǔ)良好。連接螺栓嚴(yán)格按照運行要求進(jìn)行緊固；適當(dāng)增加支撐筋板的數(shù)量；電機(jī)安裝的找正值要控制在0.03mm以內(nèi)；聯(lián)軸器與電機(jī)之間的連接要牢固。另外，由于風(fēng)電機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速范圍大，加上彈性支撐的承載能力限制，共振現(xiàn)象不可避免。因此，采取有效的措施降低共振對發(fā)電機(jī)的影響也是減少不良振動的重要方面。減少共振一是要改變系統(tǒng)的固有頻率，可以從優(yōu)化彈性支撐方面入手，振動測試證明，適當(dāng)降低彈性支撐的剛度可以減少共振；二是要改變共振區(qū)工作狀態(tài)，通過提高或降低轉(zhuǎn)速來減少發(fā)電機(jī)在共振區(qū)的運行時間，同時通過增加系統(tǒng)阻尼的方式來抑制共振區(qū)振幅[7]。

故障實例：某風(fēng)電場1臺電機(jī)抱軸，故障前曾有強(qiáng)烈振動現(xiàn)象?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電機(jī)的底架及撐板不僅數(shù)量少，而且厚度不足20mm，安裝找正值偏大，在0.06mm左右。經(jīng)過現(xiàn)場仔細(xì)檢查后，初步判斷為安裝不當(dāng)導(dǎo)致的異常振動，檢修人員將機(jī)座進(jìn)行加固處理，增加了撐板數(shù)量，增大接觸面積，并降低找正值后，振動符合要求。

2.5 發(fā)電機(jī)軸承損壞引發(fā)的振動

軸承是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的重要部件，對于發(fā)電機(jī)的運行有很大影響。在實際運行中，由于風(fēng)電場環(huán)境及發(fā)電機(jī)組載荷變化影響，軸承會由于潤滑不良、潤滑失效、負(fù)載過重等原因出現(xiàn)磨損、銹蝕、過熱、電蝕、表面剝落等故障，引發(fā)異常振動。

排除措施：定期對軸承潤滑油品質(zhì)進(jìn)行檢查。日常維護(hù)中，可以通過觀察集油盒中廢油脂的狀態(tài)來判斷潤滑油缺脂或溢脂情況，有無變色發(fā)黑現(xiàn)象等。更換潤滑油時要選擇抗氧化及防腐蝕性能好的潤滑油。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對軸承的溫度、異響等情況進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)軸承外套、內(nèi)套、滾珠等不同部位特征頻率不同的特性，利用頻譜分析來診斷軸承的運行情況，發(fā)現(xiàn)異常后及時處理[8]。

故障實例：某風(fēng)電場1號電機(jī)通過CMS在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)異常振動現(xiàn)象。機(jī)組維護(hù)人員檢查發(fā)電機(jī)與機(jī)架的連接處，未發(fā)現(xiàn)有松動現(xiàn)象，之后觀察發(fā)電機(jī)的振動頻率信號，無2倍頻、高倍頻信號出現(xiàn)，基本排除發(fā)電機(jī)與齒輪箱不對中、轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的振動異常情況。在排查軸承運行情況時，維護(hù)人員通過觀察集油盒，并無發(fā)現(xiàn)缺脂或多脂情況，該發(fā)電機(jī)潤滑油中添加了特殊鋰皂基，具有很好的抗氧化性能，更換時間不超過4個月，品質(zhì)良好，而且發(fā)電機(jī)前后軸承蓋上的溫度傳感器未發(fā)現(xiàn)過溫情況，判定軸承發(fā)生異常振動前并不存在潤滑不良或過載荷現(xiàn)象。維護(hù)人員通過進(jìn)一步檢查，判定是振動傳感器導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承系統(tǒng)對地絕緣失效，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)感應(yīng)軸電流擊穿較薄的油膜，使軸承出現(xiàn)電蝕情況引起的振動。為了驗證判定結(jié)果，檢修人員將發(fā)電機(jī)拆解后，對其內(nèi)外圈進(jìn)行分離、擦拭，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)、外滾道表面色澤發(fā)暗且有明顯的搓衣板狀紋，軸承出現(xiàn)損傷，引發(fā)異常振動，證實是由于軸承電蝕導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)振動異常，進(jìn)行部件更換后異常振動消除。

2.6 零部件配合不當(dāng)引發(fā)的振動

一般情況下，發(fā)電機(jī)在空載振動測試合格，但是往往在熱態(tài)時振動就會加劇，主要原因與零部件的配合選擇有關(guān)系。發(fā)電機(jī)各部件的組成材料不同，不同材料受熱后的形變不一樣，會導(dǎo)致零部件間的間隙出現(xiàn)松動情況，產(chǎn)生振動，比如軸承與軸的配合、轉(zhuǎn)子與軸的配合如果間隙不當(dāng)，就會因受熱后的形變差異出現(xiàn)配合間隙松動情況，產(chǎn)生微隙振動[9]。因此，軸承與軸之間配合的過盈量應(yīng)該大于不同材質(zhì)因溫度變化帶來的熱膨脹差異。

3 結(jié)束語

隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計及制造技術(shù)的不斷成熟完善，由于設(shè)備自身因素引發(fā)的發(fā)電機(jī)異常振動故障越來越少，但由于風(fēng)電機(jī)組在露天環(huán)境下運行，受溫濕度、雷電、灰塵、風(fēng)力大小等因素影響，異常振動故障仍然存在。在實際中，異常振動往往不是獨立因素導(dǎo)致，而是多個因素相互作用的結(jié)果，給故障的排查帶來諸多困難。因此，發(fā)電機(jī)異常振動故障的排查不僅需要檢修維護(hù)人員有豐富的故障診斷經(jīng)驗，還需要借助先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和儀器儀表提取和分析故障特征，判斷引發(fā)故障的原因，采取科學(xué)的措施在較短時間內(nèi)排除故障，并利用預(yù)防手段降低此類故障的發(fā)生，延長機(jī)組設(shè)備的使用壽命，提高風(fēng)電場效益。