风力发电机轴电压轴电流的研究

精品文档 1 1欢迎下载 风力发电机轴电压轴电流对轴承影响风力发电机轴电压轴电流对轴承影响及防范措施及防范措施 摘要 风力发电机轴承失效频繁发生 在研究应用条件和调查轴承失效的基础上 基本确认 了造成轴承失效的根本原因 双馈感应发电机变频驱动所导致的轴承过电流和相应的电腐蚀 及润滑 磨损等 本文概述分析了轴电压轴电流产生的原理和造成的危害 详述了对轴电 压的抑制措施 并在风电场推广应用 实践验证了轴电流抑制技术的有效性 关键词 风力发电 轴承 轴电流 解决方案 WindWind turbineturbine generatorgenerator shaftshaft voltagevoltage andand shaftshaft currentcurrent onon thethe bearingbearing andand preventivepreventive measuresmeasures CHEN Guo qiang CHEN Guo zhong XXX Shen Hua Ji Tuan Guo Hu TongLiao Wind power Abstract Bearing failures of windturbine generator are occurring frequently Based on application studies and bearing investigations main root causes have been identified electrical current passage electrical erosion respectively due to frequency converter supply of doubly fedinduction generator sand lubrication and wear related problems This paper analyzed the cause of shaft voltage and shaft current and its related harm in doubly fed wind turbine architecture Measures to suppress the shaft voltage and shaft current are detailed and put into practice in pilot wind farms The effectiveness of the measures are approved by field data KeyKey words words wind power generation Bearing Shaft current The solution 1 研究背景 xx 风电场 装有 56 台华锐 SL1500 机组 于 2015 年 1 月并网发电 在运行的 2 年 中由于发电机轴承的损坏给机组正常运行产生了严重的影响 造成一定的经济损失 经统 计 2013 年共计更换发电机驱动侧轴承 19 次 年损坏率达 28 更换非驱动侧轴承 22 次 年损坏率达 33 造成直接和间接经济损失近百万元 因此 研究发电机轴承的损坏原因 并提出改进措施显得尤为重要 精品文档 2 2欢迎下载 二 研究目的 通过对机组发电机轴承损坏的原因进行多方位分析 主要针对轴电压轴电流的产生及 对轴承的影响进行分析 提出改善方案 并进行测试验证 保证发电机轴承稳定运行 延 长轴承使用寿命 三 发电机轴承损坏原因分析与防范措施 1 1 润滑润滑 滚动轴承稳定运行达到运行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 润滑剂还应有保护相 应部件不受腐蚀的作用 风力发电机一般选用润滑脂作为轴承润滑剂 如果润滑不足会导 致轴承磨损 长时间会使轴承失效 发电机产生振动 2 2 发电机与齿轮箱轴不对中发电机与齿轮箱轴不对中 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发电机轴承游隙变大 长期运行不仅损坏发电机轴承 对齿轮箱轴 承也会有损伤 造成机组的振动过大 影响机组正常运行 3 3 轴承安装工艺与材质问题轴承安装工艺与材质问题 轴承在运输或安装过程中有较大硬力的碰撞 导致轴承部分受损 长时间运行磨损严 重 轴承失效 4 4 电腐蚀电腐蚀 电流流过轴承的问题十分常见 这种现象就是所谓的电腐蚀 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 为解决华锐机组轴承的频繁失效 我风电场采取了一系列措施 检修人员专人跟 踪定期检查发电机自动加脂机运行情况 并且定期手动给轴承注油 保证轴承的良好润滑 加大轴对中检查的频率 保证对中精确度 在更换轴承时有严谨的更换方案 避免轴承内 进入脏污和轴承的磕碰等机械损伤 运行人员时时记录发电机前后轴承温度变化 发现异 常及时通知检修人员登机检查 最大限度的排除了润滑 安装工艺 轴对中等原因在内的 可控因素 经过一段时间观察 仍有轴承振动报警 对更换后的轴承检查发现 90 都是由 精品文档 3 3欢迎下载 电蚀造成的搓衣板纹伤痕 也就是说轴电压和轴电流是轴承的损伤主要 四 轴电压轴电流的产生及危害 1 轴电压轴电流产生原因 由于风电机组变频器采用 PWM 的调制方式 功率器件在快速开关时刻不可避免地产生 电压尖峰 该尖峰的电压变化率 dv dt 极高 可超过 3000V s 该尖峰电压对应的频率 约为 1MHz 可以轻易地通过传动系统的寄生电容 寄生电感耦合至电机的轴 再传导 或通过绝缘层容性耦合 至轴承的内圈 击穿油膜后传导至轴承外圈 外圈通过传导 或 通过容性耦合 与地形成回路 产生高频轴承电流 2 轴电压轴电流的危害 1 损坏润滑油的润滑性能 润滑油在轴承旋转过程中会产生油膜 所形成的寄生电容记为 Cb 如图 4 1 所示 Cb 电容值大小主要受油膜厚度的影响 而油膜的厚度由油脂的特性 电机的转速及油脂的 温度等因素决定 风电机组在高空摆动情况下将造成轴承油膜不稳定 一旦 Cb 上的电压 高于油膜能承受的电压时 油膜被击穿 我风场华锐机组发电机轴承润滑脂选用的是壳牌 AlbidaEMS2 润滑油脂 其油膜击穿电压在 200V 左右 油膜在被击穿的同时 润滑油被电 解 导致润滑油性能下降 且在对新旧轴承的内圈对外圈的绝缘测试发现 新轴承的绝缘 阻值为 500 左右 而就轴承的绝缘阻值基本为 0 即绝缘油的电解是一个不可逆的过 程 所以润滑油一旦被击穿 润滑油性能已经开始下降了 从而造成轴承长期润滑不良 加快磨损 图图 4 14 1 精品文档 4 4欢迎下载 1 对轴承造成电腐蚀 在润滑油膜被击穿后 Cb 内存储的电荷通过极小的击穿点导通放电 在轴承滚道表面 微小的金属面上产生极高的电流密度 瞬间产生极高的热量使放电点的金属熔化 形成凹 坑 随着风电机组运行时间的不断增加 由于高频轴电压击穿油膜放电而持续形成的轴承 表面凹坑不断增多 破坏轴承内圈 滚动体 外圈的光洁度 逐渐积累形成了滚动体表面 肉眼可见的搓衣板纹如图 4 2 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 图图 4 24 2 五 改进措施 针对轴电压轴电流 我们提出的改进措施就是在发电机驱动轴端安装接地碳刷 因为 原来的发电机轴只有在非驱动侧安装接地碳刷 一组接地碳刷其导流性较弱 且在风机运 行过程中可能因为震动使接地碳刷与轴接触不实 如果此种情况发生会使发电机轴无接地 运行 其轴电压急剧增加 油膜迅速被击穿 造成轴承的电腐蚀速度增加 为降低轴电位 减少转轴上的电荷积累量 有效的将轴电流分散导入接地端 避免发电机轴因与接地碳刷 接触不实无接地运行 具体方法如下 1 在发电机驱动端轴上固定表面光滑的接地环 使其与发电机轴紧密接触且牢靠 2 在发电机驱动轴端盖上安装接地刷架 并将碳刷报警接线串联到定子接线盒中的集电环 碳刷报警回路中 如图 5 1 所示 精品文档 5 5欢迎下载 图图 5 15 1 3 将接地刷架的接地线围绕电机引到非驱动端 如图 5 2 所示 图图 5 25 2 4 将接地线接到非驱动端集电环地环地线上通过转子接线盒导出 如图 5 3 所示 图图 5 35 3 六 数据测量及分析 1 测量前准备工作 拆开联轴器罩壳 发电机集电环室罩壳 将驱动侧和非驱动侧接地碳刷及接线均拆下 2 测量无接地时轴电压 将自制测试碳刷安装到发电机的非驱动侧 碳刷与轴接触良好 引出导线 将万用表调到 精品文档 6 6欢迎下载 交流电压档 一支表笔接碳刷引出线 一支表笔接地 启机运行 通过调整叶片角度调整 风机负荷 分别在 300kw 500kw 800kw 负荷时测量轴电流并记录数据 如图 6 1 图图6 16 1 3 测量轴非驱动端接地时的轴电流 将自制测试碳刷分别安装到发电机的非驱动侧如图 6 2 驱动侧如图 6 3 引出导线 将万用表调到交流电流档 一支表笔接碳刷引出线 一支表笔对可靠接地 启机运行 通 过调整叶片角度调整风机负荷 分别在 300kw 500kw 800kw 负荷时测量轴电流并记录数 据 图图6 26 2 图图6 36 3 4 测量轴有一端接地时的轴电压 1 将机组原接地碳刷安装到发电机的非驱动端 并在接地碳刷上引出导线 将万用表 调到交流电压档 一支表笔接碳刷引出线 一支表笔可靠接地 启机运行 通过调整叶片 精品文档 7 7欢迎下载 角度调整风机负荷 在300kw 500kw 800kw 负荷时分别测量非驱动端如图 6 4 轴电压 并记录数据 2 将机组原接地碳刷安装到发电机的非驱动端 在轴的驱动端安装自制测试碳刷并引 出导线 将万用表调到交流电压档 一支表笔接碳刷引出线 一支表笔可靠接地 启机运 行 通过调整叶片角度调整风机负荷 在300kw 500kw 800kw 负荷时分别测量驱动端如 图 6 5 轴电压并记录数据 图图6 46 4 图图6 56 5 5 测量轴两端接地时的轴电流 将机组原接地碳刷分别安装到发电机的非驱动端 驱动 端 在轴的另一侧安装自制测试碳刷并引出导线 将万用表调到交流电流档 一支表笔接 碳刷引出线 一支表笔对可靠接地 启机运行 通过调整叶片角度调整风机负荷 在 300kw 500kw 800kw 负荷时分别测量非驱动端如图 6 6 与驱动端如图 6 7 轴电流 并记录数据 图图 6 66 6 图图 6 76 7 6 测量轴两端接地时的轴电压 将机组原接地碳刷安装到发电机的驱动端与非驱动端 分别在驱动端与非驱动端引出导线 将万用表调到交流电压档 一支表笔接碳刷引出线 精品文档 8 8欢迎下载 一支表笔对可靠接地 启机运行 通过调整叶片角度调整风机负荷 在 300kw 500kw 800kw 负荷时分别测量非驱动端如图 6 8 与驱动端如图 6 9 轴电压 并记录数据 图图 6 86 8 图图 6 96 9 7 选取 15 台不同条件的机组进行试验 其中 5 台机组更换过发电机两端轴承振动趋势平 稳 5 台更换过发电机两端轴承但振动趋势有上升机组 5 台未更换过发电机轴承的机组 按照以上方法测量技改前后的数据 详见表 6 1 华锐风机轴电流测量数据记录华锐风机轴电流测量数据记录 技改前 非驱动端接地 技改后 两端全部接地 驱动端非驱动端驱动端非驱动端 风机编号 负荷 kw 轴无接地 时电压 V 电流 A 电压 V 电流 A 电压 V 电流 A 电压 V 电流 A 电压 V 3002853 22 0 3 50 1 0 01 5 0 5002673 11 9 4 101 0 01 8 039104 8002563 41 8 3 801 1 01 7 0 3003053 92 2 3 901 3 01 7 0 5002893 52 1 4 101 1 01 8 039105 8003004 12 1 2 801 3 01 2 0 3002852 82 0 3 300 9 01 4 0 5002963 32 1 2 501 1 01 1 039108 8002872 52 1 4 300 8 01 9 0 3003414 32 4 3 701 4 01 6 0 5003203 72 3 3 801 2 01 7 039111 8003123 82 2 3 201 201 4 0 3002853 22 0 3 601 0 01 6 0 更换 轴承 后运 行平 稳 39404 5002943 62 1 2 901 2 01 3 0 精品文档 9 9欢迎下载 8002982 92 1 5 200 902 3 0 3003025 42 2 4 701 8 02 0 0 5002974 72 1 3 501 5 01 5 039102 8003103 52 2 3 401 1 01 5 0 3002653 41 9 2 901 1 01 3 0 5002702 91 9 3 501 0 01 5 039109 8002903 52 1 4 101 2 01 8 0 3002164 11 5 3 801 4 01 7 0 5003303 82 4 3 901 3 01 7 039112 8002393 91 7 3 501 3 01 5 0 3002874 12 1 3 401 4 01 5 0 5003412 82 4 3 900 9 01 7 039305 8003203 32 3 3 501 1 01 5 0 3003122 52 2 4 100 9 01 8 0 5002854 32 0 2 801 4 01 2 0 更换 轴承 后振 动有 增长 趋势 39201 8002943 72 1 3 301 201 4 0 3002983 82 1 2 501 3 01 1 0 5003023 22 2 4 301 1 01 9 039101 8002973 62 1 3 701 2 01 6 0 3003102 92 2 3 800 9 01 7 0 5002655 21 9 3 201 7 01 4 039302 8002704 71 9 3 601 6 01 6 0 3002903 52 1 2 901 1 01 3 0 5002163 41 5 5 401 102 3 039303 8003302 92 4 4 701 0 02 0 0 3002393 51 7 3 501 2 01 5 0 5002564 11 8 3 401 4 01 5 039307 8003053 82 2 2 901 301 3 0 3002893 92 1 3 501 3 01 5 0 5003003 52 1 3 801 2 01 7 0 未更 换过 轴承 39405 8002854 0 2 0 3 201 301 4 0 表表 6 16 1 7 改进措施后的可行性分析 1 采集数据分析 根据测量数据对比分析可以明显看出 虽然机组的发电机轴承运行状态不同 但是发 精品文档 10 10欢迎下载 电机轴有一组接地碳刷比无接地碳刷时的轴电压减小了 100 多倍 而两组接地碳刷发电机 轴电压为 0 比一组接地碳刷减小 2 倍多 轴电流也有明显的减小 技改后为技改前的 1 2 左右 虽然不能够彻底消除轴电流轴电压 但是通过技改后能够很好的抑制了轴电压轴电 流的对轴承的损坏 具体分析如下 1 分别取不同负荷测得数据的平均值 驱动端测量轴电流在技改前和技改后的对比如 图 7 1 所示 图图 7 17 1 2 驱动端轴电压在技改前为 2V 左右 技改后为 0V 3 非驱动端测得的轴电流技改前后的数据对比如图 7 2 所示 图图 7 27 2 4 非驱动端测得的轴电压技改前后皆为 0V 2 振动监测分析 结合振动监测 经过近 3 个月的观察后发现 虽然所选的机组轴承状态不同 但是技 改后的机组发电机振动趋势都比较平稳 没有上升趋势 说明新更换的轴承没有损坏迹象 或者已经损坏的轴承损坏程度没有进一步恶化 具体分析如下 精品文档 11 11欢迎下载 1 39104 号风机 于 2013 年 11 月份更换发电机两端轴承 同时进行了发电机接地技 改 通过振动检测实时观察 技改之后轴承运行良好 趋势处于平稳状态 趋势如图 7 3 所示 图 7 3 2 39102 号风机 于 2013 年 5 月更换的发电机前后轴承 更换后轴承在运行大概半 年后出现振动上升的趋势 技改后振动趋势趋于平稳 如图 7 4 所示 图图 7 47 4 3 39405 号风机 并网运行后至今未更换过发电机轴承 其振动检测趋势有明显增长 趋势 技改后其增长趋势得到抑制 如图 7 5 所示 精品文档 12 12欢迎下载 图图 7 57 5 3 与其他机型轴电压轴电流对比 我风电场有部分东汽 FD82B 型机组 此型号机组发电机轴承驱动侧 与非驱动侧皆有接地 碳刷 与华锐 SL1500 机组同时并网运行 但在运行过程中年损坏率较低 驱动侧年损坏率 为 3 2 非驱动侧年损坏率为 3 0 在用上述方法对东汽机组抽样测量后结果如表 7 1 东汽风机轴电流测量数据记录东汽风机轴电流测量数据记录 技改前 一端接地 技改后 两端全部接地 驱动端非驱动端驱动端非驱动端 风机编号 负荷 kw 轴无接地 时电压 V 电流 A 电压 V 电流 A 电压 V 电流 A 电压 V 电流 A 电压 V 3002783 62 4 4 501 4 01 60 5003073 52 0 3 101 3 01 40 39401 8002943 41 93 601 301 50 3003013 72 13 601 4 01 8 0 5002883 52 23 101 201 5 039512 8002893 12 2 3 801 1 01 7 0 3003223 81 92 300 901 3 0 5003283 92 1 2 501 1 01 4 039606 8003783 52 0 3 101 2 01 50 3002853 72 4 3 601 401 8 0 5002893 72 3 3 801 3 01 7 039704 8003063 82 7 3 101 3 01 9 0 3002863 71 93 601 1 01 3 0 5002973 62 1 4 901 201 4 039807 8003044 22 0 3 701 8 01 6 0 表表 7 17 1 由以上数据不难发现 东汽机组的发电机轴电压轴电流在接地相同的情况下 与华锐 机组相差无几 所以轴电压轴电流的产生与机