溫 斌，李成晨，仝世偉，程林志，蘇鳳宇

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，雙饋發(fā)電機(jī)、鼠籠異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)已經(jīng)占據(jù)風(fēng)電發(fā)電機(jī)的主體市場，其中雙饋發(fā)電機(jī)又以其調(diào)速范圍寬、有功和無功功率獨(dú)立可調(diào)節(jié)以及所需勵磁容量較小的優(yōu)點(diǎn)，迅速成為我國風(fēng)電機(jī)組中的主流機(jī)型[1]，但同時由于雙饋發(fā)電機(jī)復(fù)雜的控制策略以及惡劣的運(yùn)行環(huán)境也使其故障頻發(fā)[2-3]。如何提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低故障率已經(jīng)成為雙饋風(fēng)電機(jī)組研究的主要方向。

目前，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組一般采用星形接法，轉(zhuǎn)子繞組通過位于端部的中性環(huán)實(shí)現(xiàn)三相繞組的星形連接且中性環(huán)對于繞組三相平衡起著重要的作用。一旦中性環(huán)出現(xiàn)問題將直接導(dǎo)致變流器過流故障甚至轉(zhuǎn)子繞組缺相等故障，嚴(yán)重影響機(jī)組使用率與發(fā)電量。目前在環(huán)境溫差與風(fēng)況變化較大的風(fēng)電場已經(jīng)出現(xiàn)由于轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)故障而導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)甚至更換發(fā)電機(jī)的情況，而且該問題導(dǎo)致的故障率隨著機(jī)組運(yùn)行時間的增長呈現(xiàn)上升趨勢。為此，研究發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)結(jié)構(gòu)與故障原因，對于提高雙饋風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性與降低故障率具有重要價值。

為提高雙饋發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性，國內(nèi)外開展了廣泛的研究。苗旭芳[4]通過分析雙饋發(fā)電機(jī)定子引出線故障，明確定子引出線焊接方式；馬宏忠等[5]提出雙饋發(fā)電機(jī)定子發(fā)生匝間短路故障后繞組中會感應(yīng)出負(fù)序電流，并利用負(fù)序電流對電機(jī)故障進(jìn)行檢測的方案；李和明與STEFANI A[6-7]通過分析雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組的并聯(lián)支路環(huán)流情況來檢測轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障；張正東等[8]提出通過小波分解與小波能量譜相結(jié)合的方法提取雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組不對稱故障的特征量。目前的研究側(cè)重于繞組整體且絕大多數(shù)集中在對繞組絕緣、短路分析與診斷方面，但對于轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)結(jié)構(gòu)與故障的研究極少。

本文以某型雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中性環(huán)故障情況為例，通過建立轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)模型，再基于ANSYS Workbench對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果與故障情況的對比，對故障部位取樣并進(jìn)行微觀與金相分析，確定中性環(huán)故障原因。

1 中性環(huán)結(jié)構(gòu)與故障情況

中性環(huán)是連接雙饋發(fā)電機(jī)三相繞組實(shí)現(xiàn)繞組星形接法的重要部件，其通過3個連接塊與短接環(huán)將轉(zhuǎn)子每相繞組進(jìn)行連接。由于中性環(huán)與連接繞組間存在位置偏移，一般將中性環(huán)連接塊設(shè)計為異形彎曲結(jié)構(gòu)。以某型額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min雙饋發(fā)電機(jī)為例，其轉(zhuǎn)子繞組中心環(huán)位置與連接情況如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)位置與連接示意圖1—轉(zhuǎn)子K相繞組；2—轉(zhuǎn)子K相中性環(huán)連接塊；3—轉(zhuǎn)子L相繞組；4—轉(zhuǎn)子L相中性環(huán)連接塊；5—轉(zhuǎn)子M相繞組；6—轉(zhuǎn)子M相中性環(huán)連接塊；7—中性環(huán)

在實(shí)際風(fēng)場運(yùn)行中，筆者發(fā)現(xiàn)個別使用該型雙饋發(fā)電機(jī)的機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組斷相故障，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)連接塊中間位置出現(xiàn)燒損斷裂，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)連接塊燒損情況

通過對比可以看出，故障位置正位于連接塊異形彎曲處。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型建立

通過分析圖1結(jié)構(gòu)可以看出：該型雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中性環(huán)由短接環(huán)與連接塊組成，兩者之間采用釬焊進(jìn)行連接。故障點(diǎn)位于中性環(huán)連接塊處，而連接塊與短接環(huán)焊接點(diǎn)沒有任何問題。為簡化計算，本研究將焊點(diǎn)進(jìn)行簡化處理，將短接環(huán)與連接塊進(jìn)行布爾整合處理。在實(shí)際操作中中性環(huán)所有部件均采用絕緣材料進(jìn)行絕緣處理與綁扎，但該絕緣材料對于結(jié)構(gòu)影響極小，為簡化計算，本文未將其考慮在內(nèi)。

本研究建立的物理模型如圖3所示。

圖3 中性環(huán)物理模型示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

為較為精確地對轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)進(jìn)行仿真模擬分析，筆者在網(wǎng)格劃分中采用“Mechanical”物理場參照類型，使用Hex Dominant(六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分)方法進(jìn)行精細(xì)化劃分[9]，中性環(huán)單元數(shù)為16 561。

本研究設(shè)置中性環(huán)材質(zhì)為紫銅(t2)。為分析其結(jié)構(gòu)性能，筆者在中性環(huán)中心處加載角速度慣性載荷，設(shè)定為發(fā)電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速1.2倍即2 484 r/min。并將3個連接塊頂部端面施加位移約束，即限制X軸、Y軸、Z軸方向平動，短接環(huán)設(shè)置為自由狀態(tài)。

根據(jù)故障分析需要對該中性環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變與變形進(jìn)行仿真分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果與分析

本研究通過仿真分析，獲得該雙饋發(fā)電機(jī)中性環(huán)應(yīng)變與應(yīng)力分析云圖，如圖(4，5)所示。

圖4 應(yīng)變分析云圖

圖5 應(yīng)力分析云圖

通過對短接環(huán)自由狀態(tài)時中性環(huán)結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果可以看出：在該狀態(tài)下連接塊應(yīng)力與應(yīng)變均非常大，并且應(yīng)力值283.9 MPa已經(jīng)超過紫銅抗拉伸強(qiáng)度230 MPa～240 MPa，該中性環(huán)結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重風(fēng)險。

根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)使用工況，需要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。結(jié)合中性環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究采用加固短接環(huán)方式對該繞組中性環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。筆者通過進(jìn)一步拆檢并切割故障發(fā)電機(jī)中性環(huán)后發(fā)現(xiàn)，該型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中性環(huán)短接環(huán)已經(jīng)采取“C”形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 中性環(huán)加固結(jié)構(gòu)示意1—中性環(huán)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；2—絕緣材料；3—中性環(huán)

短接環(huán)最外層采用“C”形鋼加固并在二者中間填充絕緣材料以確保中性環(huán)電氣絕緣，“C”形鋼與轉(zhuǎn)子支撐通過焊接方式進(jìn)行可靠連接以提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 加強(qiáng)中性環(huán)結(jié)構(gòu)分析

由于短接環(huán)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)通過焊接方式與轉(zhuǎn)子支撐架進(jìn)行可靠連接，為簡化分析，本研究在圖3模型中對短接環(huán)增加一個X軸、Y軸、Z軸方向平動約束以模擬該“C”形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

通過仿真得到該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中性環(huán)各部分應(yīng)力與應(yīng)變分析云圖，如圖(7，8)所示。

圖8 應(yīng)力分析云圖與彎曲處應(yīng)力情況

通過對中性環(huán)加強(qiáng)前后的仿真結(jié)果對比分析可以看出：使用短接環(huán)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)后，應(yīng)力、應(yīng)變較加強(qiáng)前大幅降低，且中性環(huán)連接塊異形彎曲處應(yīng)力值僅為18.4 MPa，完全符合材料使用要求，如表1所示。

表1 短接環(huán)加強(qiáng)前后中性環(huán)連接塊處最大仿真值

但同時通過分析加強(qiáng)前、后的中性環(huán)仿真情況可以看出：該中性環(huán)連接塊彎曲異形部位應(yīng)力與應(yīng)變相對其他部位依然偏大，該彎曲異形部位依然存在應(yīng)力集中的問題。

3.3 加強(qiáng)中性環(huán)模態(tài)分析

為避免由于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中性環(huán)部件固有頻率與發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率重合而出現(xiàn)共振，從而導(dǎo)致中性環(huán)振動過大而出現(xiàn)損壞，本研究在ANSYS Workbench環(huán)境中對短接環(huán)加強(qiáng)后的中性環(huán)進(jìn)行模態(tài)分析，最終獲得結(jié)構(gòu)優(yōu)化后中性環(huán)固有頻率為5 201.3 Hz、5 201.5 Hz、5 203.3 Hz、8 871.6 Hz、8 872.8 Hz與8 874 Hz。

該型雙饋發(fā)電機(jī)最大工作頻率為16.7 Hz～41.4 Hz。通過分析可以得出，該加強(qiáng)后的中性環(huán)結(jié)構(gòu)各部件在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均不會出現(xiàn)共振問題。

4 實(shí)際測試

通過仿真分析可以看出：采用短接環(huán)加固結(jié)構(gòu)的中性環(huán)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上完全可以滿足使用要求。為驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的有效性，本研究切取故障發(fā)電機(jī)中性環(huán)連接塊與非故障發(fā)電機(jī)(非故障發(fā)電機(jī)為運(yùn)行時間與中性環(huán)故障發(fā)電機(jī)相當(dāng)?shù)钠渌l(fā)電機(jī))中性環(huán)連接塊進(jìn)行微觀分析。

通過分析發(fā)現(xiàn)：非故障發(fā)電機(jī)中性環(huán)連接塊表面沒有任何缺陷，微觀檢查材料連續(xù)無缺陷。中性環(huán)故障發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連接塊表面完好，微觀檢查材料存在明顯的裂紋，不同發(fā)電機(jī)中性環(huán)連接塊微觀檢查情況如圖9所示。

(a) 故障發(fā)電機(jī)的中性環(huán)連接塊微觀情況

(b) 非故障發(fā)電機(jī)的中性環(huán)連接塊微觀情況

分析該型雙饋發(fā)電機(jī)中性環(huán)仿真與測試情況可知：采用短接環(huán)加固結(jié)構(gòu)的中性環(huán)雖然在異形彎曲位置存在應(yīng)力集中情況，但可以滿足使用要求；而對于中性環(huán)故障發(fā)電機(jī)連接塊出現(xiàn)的內(nèi)部裂紋，需進(jìn)行詳細(xì)的檢查、分析。

5 故障分析

由于該型雙饋發(fā)電機(jī)有3個中性環(huán)連接塊，而燒損斷裂僅出現(xiàn)在其中一個連接塊中。為確定中性環(huán)燒損故障原因，筆者切取剩余未損壞連接塊進(jìn)行分析。

5.1 橫截面分析

本研究將取樣的中性環(huán)連接塊異形彎曲部位截取橫截面，發(fā)現(xiàn)存在大量褶皺狀紋理，取樣連接塊橫截面情況如圖10所示。

圖10 取樣連接塊橫截面情況

經(jīng)分析可以看出：該結(jié)構(gòu)存在明顯的金屬疲勞。分別截取樣件表層與內(nèi)部進(jìn)行顯微檢查發(fā)現(xiàn)：連接塊材料存在2 μm～3 μm孔狀物，顯微檢查結(jié)果如圖11所示。

(a) 表層的光學(xué)顯微鏡檢查結(jié)果(×500)

(b) 表層的電子顯微鏡檢查結(jié)果(×1 000)

(c) 內(nèi)部的光學(xué)顯微鏡檢查結(jié)果(×500)

(d) 內(nèi)部的電子顯微鏡檢查結(jié)果(×1 000)

通過對取樣連接塊橫截面金相檢查發(fā)現(xiàn)，在金屬內(nèi)部出現(xiàn)較為明顯的晶界分離，取樣連接塊橫截面金相圖如圖12所示。

圖12 取樣連接塊橫截面金相圖

通過以上的分析可知：該中性點(diǎn)連接塊材料內(nèi)部存在“氫脆”情況。

5.2 材料“氫脆”分析

“氫脆”是指在高溫條件下發(fā)生如下反應(yīng)：

Cu2O+H2→Cu+H2O

(1)

Cu2O+C2H2→Cu+H2O+CO2

(2)

Cu2O+CO→Cu+CO2

(3)

反應(yīng)生成的水蒸氣等在晶界上聚集，當(dāng)壓力超過材料的強(qiáng)度時，會引起晶界開裂。研究表明：在820 ℃、H2氣氛下退火20 min，紫銅中氧含量小于0.001%時，不會產(chǎn)生晶界裂紋；氧含量達(dá)到0.001 6%時，會產(chǎn)生連續(xù)晶界裂紋；氧含量達(dá)到0.002%時，會產(chǎn)生嚴(yán)重晶界裂紋[10]。

進(jìn)一步分析可知：由于在焊接過程中，中性環(huán)連接塊燃料中氫、碳原子進(jìn)入紫銅內(nèi)部與氧原子發(fā)生反應(yīng)，在材料內(nèi)部形成氣囊，導(dǎo)致連接塊塑性下降，脆性上升。在雙饋發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行過程中連接塊彎曲異形部位應(yīng)力、應(yīng)變較大處晶界裂紋不斷擴(kuò)展進(jìn)而出現(xiàn)疲勞斷裂。

5.3 解決方案

綜合上述結(jié)構(gòu)與材料分析結(jié)果，提出以下的解決方案：

(1)修改中性環(huán)連接塊結(jié)構(gòu)，避免異形彎曲采用圓滑過渡并減小連接塊長度，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中風(fēng)險；

(2)改善中性環(huán)連接塊焊接方式，避免外界環(huán)境氫、碳等原子的進(jìn)入，例如采用中頻釬焊或電阻焊接；

(3)采用含氧量極低的無氧銅(如TU1或TU2)，以徹底消除“氫脆”風(fēng)險。

6 結(jié)束語

以某型雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)結(jié)構(gòu)與故障情況為例，本文通過建模仿真、微觀對比測試與金相組織分析，對雙饋發(fā)電機(jī)中性環(huán)結(jié)構(gòu)與故障原因進(jìn)行了分析、研究。通過分析發(fā)現(xiàn)：故障發(fā)電機(jī)中性環(huán)連接塊處存在材料氫脆情況甚至明顯的微裂紋，最終確定了材料氫脆與連接塊異形彎曲部位應(yīng)力集中導(dǎo)致中性環(huán)連接塊出現(xiàn)疲勞斷裂而燒損。

根據(jù)分析結(jié)果，本研究對該中性環(huán)從結(jié)構(gòu)、工藝與材料方面提出了解決方案，該方案可對轉(zhuǎn)子繞組中性環(huán)故障分析與優(yōu)化處理提供參考。

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