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)電機是風(fēng)電機組中的核心部件，對于風(fēng)電機組的安全運行有重要的影響。由于風(fēng)電機組是在露天環(huán)境下運行，發(fā)電機設(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)電機故障中比較常見。目前在風(fēng)力發(fā)電機組中雙饋風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用比較廣泛，但由于其運行環(huán)境復(fù)雜且機組載荷多變，容易產(chǎn)生異常振動，異常振動會破壞電機的運行穩(wěn)定性，振動過大的話還有可能導(dǎo)致發(fā)電機零部件損壞、主軸彎曲等，甚至可能引發(fā)大軸斷裂、電機飛車等嚴重故障，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)電機概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機主要由定子、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，讓機組在不同轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電。該發(fā)電機只需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的功率進行變頻調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子的功率比較小，因此，變頻損耗小，可靠性強，而且發(fā)電機在變速運轉(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)電機組中的雙饋發(fā)電機由于其工作環(huán)境特殊，因此其安裝、運行方式等和傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)電機有明顯的區(qū)別。傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)電機通常都是剛性安裝，而且運行的功率和轉(zhuǎn)速都在額定范圍內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電機的動力源是風(fēng)能，風(fēng)向、風(fēng)速的變化會讓機組載荷經(jīng)常發(fā)生變化，而且機組的構(gòu)成復(fù)雜，不同部件之間相互影響。因此，發(fā)電機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)致整機傳動鏈部件的安裝位置發(fā)生改變[2]。發(fā)電機通過彈性支撐（一般為金屬和橡膠組合的材料）來固定在支架上，這樣能降低機架、發(fā)電機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、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)電機的彈性支撐中，支撐件的材料一樣，強度一致，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)電機軸不對中[3]。在實際運行中，齒輪箱與發(fā)電機間機械能到電能的轉(zhuǎn)換是通過聯(lián)軸器來實現(xiàn)的，聯(lián)軸器的工況對發(fā)電機的正常運行有重要的影響。由于運行中風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速及載荷一直處于不斷變化的情況下，發(fā)電機及聯(lián)軸器的固定螺栓易出現(xiàn)松動，引起發(fā)電機與齒輪箱出現(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)電機的載荷成正比例關(guān)系，發(fā)電機每次旋轉(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，更為嚴重時會出現(xiàn)1/2倍頻、1/3倍頻等，從而導(dǎo)致發(fā)電機軸承振動異常，載荷變化，嚴重的話還會出現(xiàn)軸承局部磨損等情況。

排除措施：發(fā)電機安裝過程中，要嚴格按照安裝標準進行，并做好防松動標識。機組設(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。在日常維護中，要定期緊固聯(lián)軸器及發(fā)電機固定螺栓，防止出現(xiàn)松動情況，并檢查發(fā)電機的對中情況，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，除提高轉(zhuǎn)子平衡精度外，還要確保電機底腳面和基礎(chǔ)面吻合良好，減少引發(fā)發(fā)電機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)致電機整體平衡被打破，出現(xiàn)振動超標。

排除措施：定期檢查定子繞組，同時校核轉(zhuǎn)子銅排強度，緊固發(fā)電機關(guān)鍵部位的緊固件，包括電機地腳螺栓和機座上的端蓋螺栓等，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)電機的振動有很大的影響。通常情況下，發(fā)電機出廠前都要進行振動測試，合格后才可出廠，這說明電機設(shè)計在出廠前振動測試是符合運行要求的，但是部分發(fā)電機安裝后存在振動超標的現(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)電機安裝不當引發(fā)異常振動的情況，主要是因為機座與臺板接觸不良，機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，要確保電機基礎(chǔ)面清潔，底腳與基礎(chǔ)面基礎(chǔ)良好。連接螺栓嚴格按照運行要求進行緊固；適當增加支撐筋板的數(shù)量；電機安裝的找正值要控制在0.03mm以內(nèi)；聯(lián)軸器與電機之間的連接要牢固。另外，由于風(fēng)電機組的工作轉(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臺電機抱軸，故障前曾有強烈振動現(xiàn)象?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電機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)場仔細檢查后，初步判斷為安裝不當導(dǎo)致的異常振動，檢修人員將機座進行加固處理，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)電機軸承損壞引發(fā)的振動

軸承是雙饋風(fēng)力發(fā)電機中的重要部件，對于發(fā)電機的運行有很大影響。在實際運行中，由于風(fēng)電場環(huán)境及發(fā)電機組載荷變化影響，軸承會由于潤滑不良、潤滑失效、負載過重等原因出現(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)進行檢查。日常維護中，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號電機通過CMS在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)發(fā)電機異常振動現(xiàn)象。機組維護人員檢查發(fā)電機與機架的連接處，未發(fā)現(xiàn)有松動現(xiàn)象，之后觀察發(fā)電機的振動頻率信號，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。維護人員通過進一步檢查，判定是振動傳感器導(dǎo)致發(fā)電機軸承系統(tǒng)對地絕緣失效，導(dǎo)致發(fā)電機感應(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)電機拆解后，對其內(nèi)外圈進行分離、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)電機振動異常，進行部件更換后異常振動消除。

2.6 零部件配合不當引發(fā)的振動

一般情況下，發(fā)電機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，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)電機異常振動故障越來越少，但由于風(fēng)電機組在露天環(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)電機異常振動故障的排查不僅需要檢修維護人員有豐富的故障診斷經(jīng)驗，還需要借助先進的監(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，延長機組設(shè)備的使用壽命，提高風(fēng)電場效益。