陳國光，姜 洋，張來祥，馮 欣，夏延秋

（1.黑龍江省華富電力投資有限公司，黑龍江哈爾濱 150090；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

0 引言

風能作為一種高效清潔的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，風力發(fā)電作為新興能源在國內(nèi)的戰(zhàn)略能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。其中風電發(fā)電量僅次于火電和水電，排在發(fā)電量的第三位。隨著風電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)大型風力發(fā)電機組制造技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，其中雙饋發(fā)電機的變速恒頻控制方法是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，雙饋發(fā)電模式，突破了機電系統(tǒng)必須嚴格同步運行的傳統(tǒng)觀念，使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制，而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響，變機電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接，雙饋風力發(fā)電機是目前風力發(fā)電的主要機型。

1 風力發(fā)電機軸承故障的特點

作為風電機組的重要部件—發(fā)電機，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)電機組運行時間的增加，發(fā)電機軸承故障也越來越多，導(dǎo)致運行維護成本增加，風力發(fā)電機組運行可靠性降低。其中風力發(fā)電機電腐蝕作為電機軸承失效的一種形式，也越來越多引起相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注。電腐蝕簡稱電蝕，是指軸兩端將會出現(xiàn)交流電壓，當軸承上的分電壓達到一定閾值時，將擊穿軸承中的油膜，在軸承轉(zhuǎn)軸、內(nèi)圈、外圈和軸承室組成的回路中產(chǎn)生電流，電流導(dǎo)致軸承軌道表面出現(xiàn)局部熔融和凹凸現(xiàn)象。盧源[1]報道了某風場的雙饋風力發(fā)電機累計更換過發(fā)電機軸承的風機數(shù)達總風機數(shù)的1/2，其中更換的風機中90%更換過發(fā)電機前后軸承，另外多次更換軸承的風機達總數(shù)的1/3，而且更換的故障軸承80%是軸電流引起的波紋狀損傷。到目前為止還沒有有效的方法來監(jiān)測因軸電流引起的軸承損傷，雙饋式發(fā)電機軸承失效已成為電機軸承的主要失效形式。

2 避免發(fā)電機軸電流的方法

隨著雙饋風力發(fā)電機的裝機總量的增加，如何避免或減緩因軸電流引起的軸承失效是當前和未來要解決的主要問題。如何監(jiān)測因軸電流引起的疲勞。如果SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)中有轉(zhuǎn)子和定子電流信號數(shù)據(jù)、電壓信號數(shù)據(jù)和輸出功率信號數(shù)據(jù)并對其進行分析，不失為一種切實可行的方法。通過對波紋損傷的軸承的SCADA 數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)電機軸承溫度提高可以預(yù)測軸承損傷。

3 避免軸電流的措施

3.1 絕緣法

軸承部件的絕緣可以減緩軸電流對軸承的損傷，目前采用的絕緣方法有：絕緣端蓋、絕緣軸承座、軸承內(nèi)圈及外圈加涂層絕緣、用陶瓷深溝球軸承等方法。

普通軸承替換為有電絕緣性能的軸承，以阻斷軸電流的路徑。絕緣軸承包括混合陶瓷軸承和套圈帶絕緣涂層的軸承。陶瓷軸承因成本過高，已很少采用。而黃熙等人[2]研制的無緯帶和片狀模塑料絕緣端蓋結(jié)構(gòu)目前已大大限制了電機軸承軸電流的產(chǎn)生，降低了因軸電流引起的失效風險，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩種電機軸承端蓋的絕緣設(shè)計方法

3.2 潤滑脂方法

研究發(fā)現(xiàn)，對于電機軸承，因為軸電流的存在，潤滑脂的選擇上就要考慮潤滑脂的防電腐蝕性能，同時潤滑脂也是保軸承不損傷的最后一道屏障。研究發(fā)現(xiàn)，在軸電流作用下，當干摩擦狀態(tài)下，軸電流瞬間導(dǎo)致軸承表面失效，而潤滑脂的存在將大大延緩軸電流對軸承的損傷。

潤滑脂作為阻斷軸電流的最后一道屏障，起著至關(guān)重要的作用。軸承潤滑脂具有降低滾動體間摩擦、減少動力消耗、排出熱量、防止軸承溫升和抗疲勞的作用，同時，軸承潤滑脂還應(yīng)具有好的潤滑性、抗氧化、防腐、防銹、減振和降噪等作用。研究發(fā)現(xiàn)，通過改善潤滑脂的導(dǎo)電性，可以大幅度延緩或阻止軸電流的發(fā)生[2]。實際工作中還發(fā)現(xiàn)，提高潤滑脂的加注量和縮短加注的間隔可以大大降低因軸電流引起的軸承損傷。

3.3 現(xiàn)場問題

某風電場位于海拔約170 m 的半丘陵地帶，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。安裝1.5 MW 雙饋異步風力發(fā)電機組，發(fā)電機軸承為SKF 進口軸承，潤滑脂為克虜伯114 潤滑脂，注脂裝置為林肯自動注脂機，風機運行8 年來，目前以每年約5%的發(fā)電機軸承因軸電流而發(fā)生損傷，因維修而停機導(dǎo)致發(fā)電量降低。圖2 示出了軸承內(nèi)圈因軸電流而導(dǎo)致的波紋狀損傷。

圖2 軸承內(nèi)圈表面波紋狀損傷

圖3 風力發(fā)電機電機溫度的監(jiān)測曲線

圖3 示出了該風機失效前3 個月的電機軸承測和非驅(qū)動側(cè)溫度記錄曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)隨著運行時間變化，電機溫度逐步提高，溫度變化曲線代表了電機工作的狀態(tài)，即有風和無風時電機的溫度。發(fā)現(xiàn)在檢查前的80 d，事實上已經(jīng)發(fā)生溫度異常升高，是否可以通過溫度異常判斷軸電流損傷，即溫度的監(jiān)測可以預(yù)測電機軸承的損傷，但不能確定電機失效形式，因此需要更深入分析軸電流產(chǎn)生的原因和測試手段，來抑制軸電流發(fā)生和通過潤滑手段減緩對軸承的損傷?？梢耘袛噍S承工作的運行狀態(tài)，減少軸承故障的發(fā)生，這有助于合理地安排維修，提高電機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，提高發(fā)電效率，為延長發(fā)電機軸承的使用壽命提供理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

發(fā)電機軸承是風力發(fā)電機的重要零件，發(fā)電機軸承一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致風力發(fā)電機組的發(fā)電效力降低，甚至導(dǎo)致風機停止發(fā)電，需對軸承維修后才可以運行。通過對電機驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè)溫度變化發(fā)現(xiàn)，溫度可以作為軸承電腐蝕損傷的預(yù)警。如果能通過軸承兩端溫度的變化，對軸承電蝕損傷采取相應(yīng)的預(yù)防措施，將對風力發(fā)電機軸承的運行提供了保障。