王东
（华能酒泉风电有限责任公司 甘肃兰州 730070）
摘要：随着变桨控制技术和变频器的发展，双馈异步发电机在大型风电机组发电设备中成为典型应用。双馈异步发电机转子绕组由变频器供电，电机可以在相对宽广的速度范围内运行并保持稳定的频率，同时对有功功率和无功功率进行调节。但是，由于变频器的引入，过电流引起的轴承失效问题频繁出现，与润滑和相应的磨损引起的轴承失效一起成为发电机故障的主要原因。本文阐述了风电机组发电机轴承损坏的原因并提出防范措施。
关键词：风电机组；轴承故障；防范措施
1 前言
某风电场位于戈壁地区，常年风沙较大。该风电场安装217台风电机组，发电机为双馈异步发电机，其前后采用深沟球绝缘轴承。运行中发电机故障的主要形式为轴承失效，故障率较高。目前，风电机组多数采用双馈异步发电机，因此研究发电机轴承故障原因并提出防范措施显得尤为重要。
2发电机轴承故障原因分析
2.1 轴承电腐蚀失效
通过对风电场故障轴承的检查发现，大多数都是由电蚀造成的搓板纹伤痕，也就是说轴承过电流引起的电腐蚀失效是轴承故障的主要原因。
2.1.1 轴承过电流的原因
发电机运行时，轴承处于高速运转状态，由于轴承内外圈与滚子之间绝缘油膜的隔离作用和发电机定、转子及它们与地之间的绝缘关系，发电机轴承相当于一个电容，表现为容抗状态。而风电机组变频器采用PWM的调制方式，共模电压及电压脉冲的快速切换将会在发电机轴、两端轴承和机座的环路中通过传导及容性耦合产生较大的轴电压和高频环流。同时，轴承转动过程中产生的静电效应及发电机磁场不对称也会使发电机轴带电。
2.1.2 轴承过电流的危害
（1）损坏润滑油脂的润滑性能
润滑油脂在轴承旋转过程中会产生油膜，表现为容抗，其值大小主要受油膜厚度的影响。风电机组在高空摆动情况下将造成轴承油膜不稳定，一旦容抗上的电压高于油膜能承受的电压，油膜将被击穿。同时，润滑油脂被电解，导致润滑油脂性能下降。在对轴承内圈对外圈的绝缘测试发现，新轴承可以承受的电压在1000V左右，而旧轴承的绝缘已基本消失，即润滑油脂的电解是一个不可逆的过程。
（2）对轴承造成电腐蚀
轴电压击穿油膜放电，产生的热量会使轴承滚道金属表面融溶，产生凹坑，同时金属的融屑会发生转移，脱离原来的位置。电蚀凹坑表面的金属会被再硬化，变得比之前的轴承材料更脆。再硬化层下面是一层退火层，这部分的材料比周围软。受损伤的轴承表面看起来发暗，其特征是有很多融溶的小坑。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这些微小的凹坑遍布于滚动体表面和滚道之上，随着时间的推移，逐渐积累形成轴承内外圈明显的搓板纹，最终导致轴承由于游隙过大、振动过大、温升过高等因素失效。
实际中，轴承电腐蚀通常发生在电流经由滚动体从一个滚道流到另一个滚道的时候。电腐蚀对轴承的破坏程度取决于放电能量和持续时间，但破坏效果基本相似，包括：滚动体和滚道上的微小电蚀凹坑、润滑迅速退化、失效第二阶段的搓板纹及相应的轴承失效等。
2.2轴承润滑失效
滚动轴承稳定运行达到使用寿命的一个重要条件就是有足够的润滑。润滑剂的作用就是形成保护性油膜，分隔滚动接触表面，防止金属与金属的直接接触。风电场使用润滑脂作为润滑剂，它的功能还有保护轴承不受固体颗粒、灰尘和水的污染等。
风电场由自动加脂机定期补充润滑脂，保证轴承的良好润滑。首先，润滑脂的性能如黏度、油膜形成能力和密度等要适应发电机安装地点的环境变化。有时在特定的工作环境（例如温度）下的参数非常难以准确预知，导致了由于润滑脂选型不当造成的润滑表现不良。其次，自动加脂机的运行状况及轴承中废油的排出情况影响着轴承的润滑效果，不足量的润滑会导致金属表面疲劳和磨损，从而减小轴承的寿命。如果滚动体和滚道之间的润滑膜太薄，金属表面就不会被充分隔离，就会发生金属和金属的直接接触。这样的情况可能是由污染、润滑不足等情况造成的。
2.3 轴承磨损失效
轴承在运输或安装过程中操作不当，有较大硬力的碰撞导致轴承部分受损或者是混入污染颗粒，长时间运行磨损严重，轴承失效。
发电机与齿轮箱轴不对中会诱发同步轴振动，虽然联轴器会吸收一定的振动，但是大负荷长时间的振动会使轴承游隙变大，长期运行会导致轴承损坏。同样，如果发电机处于停机状态，经过一段时间的振动也会导致轴承损伤。因为在发电机静止时，轴承内部相互接触的部件之间没有润滑剂来形成油膜，进而产生滚动体和滚道之间的金属直接接触。如果再引入外界的振动（比如偏航时的振动、外部冲击等），就会使滚动体相对滚道发生非常微小的位移，在这样的位移情况下金属之间微小的冷焊点和磨损会使滚道产生损坏，出现微动磨损；同时受气温变化形成的冷凝水和腐蚀性气体等的腐蚀，使遭受的微动磨损中伴随有微动腐蚀，加剧了轴承的微动磨损。这样的损坏通常发生于滚子等间距的地方，呈现颜色的变化或者光泽的变化。这种损坏就是所谓的“伪布氏压痕”。在微动反复作用下，裂纹扩展并最终形成剥落。
3防范措施
为了解决风电场发电机轴承的失效问题，风电场采取了一系列措施，最大限度的排除润滑、安装工艺、轴对中等原因在内的可控因素。
（1）加强对发电机转子接地回路的检测和日常维护，保证发电机转子轴电流快速导入大地；
（2）定期检查发电机自动加脂机运行情况，及时加油并保持油脂的使用环境；
（3）加大轴对中检查的频率，保证对中精确度；
（4）在更换轴承时避免轴承内进入脏污和轴承的磕碰等机械损伤。
而针对轴电压轴电流，提出了以下改进措施：
3.1 采用多点接地方式疏导轴电流。
在发电机本体加装接地铜编织带，以减小其间的不平衡电势；增加多点接地电缆和碳刷信号线的布置以及连接方式，缩短优化轴电流导下路径，使轴电流更易导下。
3.2 在发电机驱动轴端安装接地碳刷。
在发电机驱动端轴上安装接地环，配合两个接地碳刷，接地碳刷支架固定于端盖，再采用铜编织带或接地引线连接到接地体，以降低驱动端与非驱动端的电位差，减少轴上的电荷积累量，有效的将轴电流分散导入接地端，增加轴接地的可靠性，降低轴承的损坏率。
3.3 采用绝缘端盖。
在转轴的轴承座和轴承的前后端盖处加装绝缘隔板，以切断轴电流的回路。
4 结论
（1）风电机组发电机轴承故障大部分是轴承过电流引起的电腐蚀失效，而引起过电流的最主要原因是发电机转子电压的快速切换产生的高频电流。
（2）风电场采取多重措施，降低发电机轴承故障率。其中，风电场对部分发电机在驱动轴端安装接地碳刷，运行中与未进行接地改造的发电机对比，有效地降低了轴电压、轴电流，延长轴承的使用寿命，提升了机组运行可靠性。
参考文献：
[1]轴承故障失效原因分析手册[M]. 哈尔滨：哈尔滨轴承集团公司.
[2]刘瑞华，胥佳，胡鹏，李巍.双馈式风电机组发电机轴承故障浅析[C]. 2012.
作者简介：
王东（1983.08.18-）；男；甘肃嘉峪关；汉；大学本科；工程师；风电场助理；研究方向：风电场电气运维；华能酒泉风电有限责任公司。
论文作者:王东
论文发表刊物:《河南电力》2018年16期
论文发表时间:2019/1/23
标签：轴承论文; 发电机论文; 油膜论文; 电流论文; 机组论文; 风电论文; 电压论文; 《河南电力》2018年16期论文;