邢德義，高保印

(北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 101102)

隨著碳中和和碳達(dá)峰的承諾，綠色能源未來成為主流能源是必然趨勢。其中風(fēng)力發(fā)電將占據(jù)很重要的地位。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前的主流技術(shù)，代表廠家有金風(fēng)科技、上海電氣、明陽智能等。主軸承作為直驅(qū)機組的關(guān)鍵核心部件，其可靠性不言而喻。近年來，隨著直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的裝機量日益增多，常常伴有機組主軸承失效的案例[1-2]。影響軸承失效的因素非常多，例如載荷、潤滑、疲勞、腐蝕和電效應(yīng)(雷擊、軸電壓)等因素[3-4]。有學(xué)者在文獻(xiàn)研究提出，軸電壓有效值大于0.1 V時，有出現(xiàn)白色腐蝕裂紋(white etching cracks，WEC)風(fēng)險；軸電壓有效值小于0.1 V，但軸電壓峰峰值經(jīng)常出現(xiàn)大于2 V時，由于回路電阻較小的原因，可能產(chǎn)生軸電流，存在出現(xiàn)WEC高風(fēng)險[5-6]。相關(guān)文獻(xiàn)中明確要求，應(yīng)采取合理的措施有效預(yù)防軸電壓，當(dāng)軸電壓過大時應(yīng)查明原因[7-8]。

有效解決軸電壓問題將提升直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電裝備在復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，推動風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運行，減少對高碳排放化石能源的依賴，助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

1 常規(guī)直驅(qū)機組主軸承軸電壓的現(xiàn)狀

對常規(guī)機組目前軸電壓的水平現(xiàn)狀進行調(diào)查，對位于江蘇省鹽城市大豐區(qū)的某2臺直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的的軸電壓進行了測量，測試數(shù)據(jù)如下。

第1臺為2 MW機組，該數(shù)據(jù)為隨機選取15 s左右的連續(xù)數(shù)據(jù)，對該區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)作有效值與峰峰值統(tǒng)計和分析。在機組原始狀態(tài)環(huán)境下，該機組前軸承軸電壓如表1和圖1所示。

表1 直驅(qū)2 MW機組軸電壓2次測量水平

圖1 第1臺機組軸電壓時域和頻域圖

第2臺為6 MW機組，該數(shù)據(jù)為隨機選取15 s左右的連續(xù)數(shù)據(jù)，對該區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)作有效值與峰峰值統(tǒng)計和分析。在機組原始狀態(tài)環(huán)境下，該機組前軸承軸電壓如表2和圖2所示。

表2 6 MW機組軸電壓2次測量水平

圖2 第2臺機組軸電壓時域和頻域圖

2 軸電壓產(chǎn)生的原因

發(fā)電機軸電壓的定義是：發(fā)電機正常運行時，在發(fā)電機主軸兩端或者主軸與軸承之間所產(chǎn)生的電壓。對于永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機經(jīng)過變流器向電網(wǎng)供電，變流器的開關(guān)器件工作時會產(chǎn)生高頻共模電壓，并通過電機雜散電容網(wǎng)絡(luò)的耦合作用，在軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生軸電壓；另外雷電的電磁感應(yīng)也可能使軸承上集聚一定量的電荷，形成直流的電容效應(yīng)，使軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生軸電壓[9-10]。

圖3 軸承電壓等效示意圖

軸承上的軸電壓取決于共模電壓的大小、繞組對轉(zhuǎn)子寄生電容和轉(zhuǎn)子對定子寄生電容以及軸承動定軸之間電容等參數(shù)，等效電路圖如圖3所示[11]。這些寄生參數(shù)通常很難計算和準(zhǔn)確獲取，一般采用計算機仿真來定量計算，本文不再展開敘述。圖3中：Ucm為變流器機側(cè)產(chǎn)生的繞組對地共模高頻電壓；Cws為繞組對定子的寄生電容；Cwr為繞組對轉(zhuǎn)子的寄生電容；Crs為轉(zhuǎn)子對定子寄生電容；C1、C2為軸承動定軸之間寄生電容。

3 降低軸電壓的方法與驗證

根據(jù)理論分析，在動軸和定軸之間加裝滑動連接裝置，形成等電位連接，能將軸承上分壓Ubear，將軸電壓控制在較低水平，等效電路圖如圖4所示。這種滑動接觸裝置的接觸電阻非常小，一般是毫歐甚至微歐級別。圖4中，Rrs為動定軸之間的碳刷接觸電阻。

圖4 加裝等電位連接后軸承電壓等效示意圖

按照以上方法，在6 MW機組上進行了實際驗證。在原始狀態(tài)基礎(chǔ)上分別切入2個滑動接觸裝置、4個滑動接觸裝置、8個滑動接觸裝置，最后在8個滑動接觸裝置的基礎(chǔ)上將電刷的接地點用導(dǎo)線串聯(lián)起來，以起均勻接地作用。滑動接觸裝置切入位置如圖5所示。切入2個滑動接觸裝置的位置為電刷2、電刷6，切入4個滑動接觸裝置的位置為電刷2、電刷3、電刷6、電刷7，切入8個滑動接觸裝置的為電刷1、電刷2、電刷3、電刷4、電刷5、電刷6、電刷7、電刷8。測點位置為1點鐘與11點鐘方向。

圖5 直驅(qū)6 MW機組主軸承增加等電位滑動接觸裝置點位示意圖

經(jīng)過測試軸電壓數(shù)據(jù)結(jié)果如表3和圖6所示。

通過測試，可以得出以下結(jié)果。

a.較無等電位滑動接觸裝置時，切入2個后軸電壓降低效果很明顯，降低92%左右，有效值由0.38 V左右降至0.03 V左右，峰峰值由4.2 V左右降低至0.3 V左右。

表3 直驅(qū)6 MW機組增加等電位連接后軸電壓測試結(jié)果

圖6 直驅(qū)6 MW機組不同工況下軸電壓時域和頻域圖

b.較切入2個等電位滑動接觸裝置，切入4個軸電壓降幅約9%，有效值臨近0.028 V，峰峰值臨近0.29 V。

c.8個等電位滑動接觸裝置對降低軸電壓水平進一步改善，較4個時降低約33%，軸電壓有效值臨近0.02 V，峰峰值臨近0.19 V。

d.將等電位滑動接觸裝置串聯(lián)起來的作用效果不明顯，本次的測試結(jié)果有效值和峰峰值在0.005 V范圍波動。

4 結(jié)語

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的功率容量越大，作用在主軸承上的軸電壓越大；在主軸承的動軸和定軸之間加裝等電位連接裝置，能明顯降低軸電壓，安裝組數(shù)越多，效果越明顯。該結(jié)論對直驅(qū)機組的實際設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用。

機組在運行中，軸電壓長期存在，本監(jiān)測的數(shù)據(jù)只是機組運行時某個時段的數(shù)據(jù)，若要想更加清晰了解機組軸電壓水平，可以在機組上布置一個工作站，能夠長期實時采集軸電壓數(shù)據(jù)，支撐后續(xù)研究。