文 | 張劍
(作者單位:西門子電氣傳動有限公司)
近十年來我國風(fēng)電得到迅速發(fā)展。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增加,變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為目前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主流機(jī)型。其中,雙饋型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組更是由于變頻器容量小、發(fā)電機(jī)制造簡單等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境惡劣,可能遇到各種復(fù)雜的天氣狀況和運(yùn)行工況,軸承作為其中重要的易損部件,會出現(xiàn)各種故障問題,如軸承假性布氏壓痕、疲勞磨損、內(nèi)圈跑套、軸承電腐蝕等。
本文主要對軸承電腐蝕情況進(jìn)行分析,根據(jù)軸承電腐蝕產(chǎn)生原因、常規(guī)的軸承電腐蝕防護(hù)措施及軸承電壓的現(xiàn)場測試,提出一種改進(jìn)的軸承電腐蝕保護(hù)裝置。
軸電流問題自電機(jī)發(fā)展以來就一直被行業(yè)所關(guān)注,因?yàn)樗c軸承的實(shí)際壽命息息相關(guān)。目前行業(yè)內(nèi)主要將電機(jī)的軸電流分為兩類:(1)“傳統(tǒng)”軸電流;(2)由變頻器產(chǎn)生的軸電流。
“傳統(tǒng)”軸電流在過去幾十年已經(jīng)被廣泛研究,其主要是由電機(jī)內(nèi)部磁通不平衡引起,不平衡的漏磁通主要是由產(chǎn)品機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)公差和裝配過程引起,會在定子機(jī)殼、驅(qū)動端軸承、軸以及非驅(qū)動端軸承這個回路內(nèi)感應(yīng)電壓及電流。隨著電機(jī)尺寸的增大,磁路內(nèi)的漏磁通會增大,感應(yīng)電壓(可以通過測量轉(zhuǎn)子軸兩端的電壓大小進(jìn)行評判,通常軸電壓的安全值小于0.5V)也會隨之升高。
由IGBT變頻器驅(qū)動的電機(jī)會產(chǎn)生新的軸電流現(xiàn)象,這些現(xiàn)象不能用之前“傳統(tǒng)”軸電流理論解釋。該電流是變頻器的工模電壓與電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜寄生電容共同作用的結(jié)果,其大小與變頻器的直流母線電壓和載波頻率息息相關(guān)。但迄今為止軸電流與軸承壽命之間尚不能通過清晰的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián),這就是目前無法指定這類軸電流安全值的原因。然而,由PWM變頻器驅(qū)動而產(chǎn)生的軸電流同樣會像第一類“傳統(tǒng)”軸電流一樣加速軸承老化和損壞,因此,在一定情況下會減損軸承壽命。
電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下,軸承內(nèi)、外圈滾道與滾動體間存在的潤滑油膜會起到一定的絕緣作用。對于較低的軸電壓,這層潤滑油膜仍能發(fā)揮絕緣性能,不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓積累到一定數(shù)值并大于軸承油脂的擊穿電壓時,它們就會在軸承中產(chǎn)生電弧,沿著與電機(jī)軸承之間阻抗最小的路徑放電(如圖1)。特別是在軸承內(nèi)部滾道與滾動體形成金屬性接觸的瞬間,軸電流可達(dá)上百安培,導(dǎo)致軸承滾道產(chǎn)生小的麻點(diǎn)(凹坑)。當(dāng)發(fā)生此情況時,由于溫度足夠高軸承鋼會熔化,軸承潤滑脂也會被燒毀。由于極為頻繁的放電,不久整個軸承滾道布滿的無數(shù)凹坑會造成過多振動和噪音。而當(dāng)潤滑油中摻入熔化的金屬微粒后,油膜阻值降低又會加速這個過程,軸電流的電解作用使?jié)櫥吞炕_@兩個過程都會造成油的潤滑性能變差,使軸承溫度升高,最終造成軸承電腐蝕失效。
目前業(yè)內(nèi)發(fā)電機(jī)制造企業(yè)針對軸承電腐蝕問題主要采取以下三種防護(hù)措施:
在變頻器的工模電壓與電機(jī)內(nèi)部寄生電容的共同作用下,轉(zhuǎn)子軸上會感應(yīng)出高電勢,通過在非驅(qū)動端加裝接地碳刷使轉(zhuǎn)軸接地,可以消除軸上的感應(yīng)電勢。但是由于磨損的接地碳刷會在表面形成氧化膜,增大碳刷與軸之間的接觸電阻,阻礙軸電壓的釋放,因此,需要定期對其進(jìn)行維護(hù)和更換。同時還需要安裝磨損報(bào)警裝置,以預(yù)防碳刷失效。
為了阻斷軸電流通過軸承的路徑,可以在軸承內(nèi)部添加絕緣,例如,在軸承外圈表面通過等離子噴涂工藝形成陶瓷涂層來阻斷不高于1000V的電壓。對于低頻交流電壓,絕緣效果取決于陶瓷層的純電阻值;對于高頻交流電壓則取決于陶瓷層的容抗值。目前絕緣軸承還屬于特殊應(yīng)用范疇,由于各軸承制造廠家采用的方式不同,絕緣參數(shù)指標(biāo)沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),差異很大,而且絕緣軸承價格相對較高。
阻斷軸電流的另一種方式是在軸承室與外端蓋之間加裝絕緣,常用的絕緣材料有UPGM203、SMC等。相比于陶瓷涂層,絕緣端蓋因具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、阻燃性、絕緣電阻值和耐電壓強(qiáng)度,更低的電容值、吸水率及翹曲度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。
圖1 軸承油膜擊穿和滾道凹坑
圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣原理
圖3 軸承電壓現(xiàn)場測量值
圖4 改造的接地刷架系統(tǒng)
圖5 安裝保護(hù)裝置后測量值
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整個傳動鏈的簡化電氣原理圖如圖2所示。由于成本原因,大多數(shù)變頻器廠家本身沒有配備共模電壓濾波器,因此,變頻器產(chǎn)生的高頻共模電壓會經(jīng)約百米長電纜放大后加到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上。電機(jī)內(nèi)部寄生電容會把部分電壓分配到軸承形成軸承電壓,從而腐蝕軸承。軸承電壓特性與所配備變頻器的開關(guān)頻率和du/dt息息相關(guān)。所以,控制變頻器的共模電壓是解決軸承腐蝕問題的最直接方法,但由于成本較高,目前只能從發(fā)電機(jī)端去解決該問題。
市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)某風(fēng)電場33臺1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障率高達(dá)60%以上,統(tǒng)計(jì)的平均故障發(fā)生時間為2~3年。風(fēng)電場實(shí)際測得高頻軸承電壓峰值高達(dá)190V(如圖3),可以得出正是由于這個高電壓瞬間擊穿潤滑油膜形成放電,從而造成軸承腐蝕。
基于對該型號電機(jī)軸承絕緣結(jié)構(gòu)、端蓋尺寸和軸承電壓測試結(jié)果的研究分析,對電機(jī)非驅(qū)動端原有的接地碳刷系統(tǒng)進(jìn)行額外添加一種接地保護(hù)裝置的改造,如圖4所示。該裝置通過支撐架安裝在軸承室外部,可以將軸承室的高電勢通過接地碳刷大大降低,這樣可確保將軸承電壓降低到對軸承沒有危害的等級。同時該裝置配備碳刷磨損報(bào)警傳感器,一旦碳刷長度低于限定值,可以及時提醒用戶更換碳刷。該裝置具有成本較低,同時易于現(xiàn)場安裝的優(yōu)點(diǎn)。
對同一臺發(fā)電機(jī)安裝保護(hù)裝置后重新進(jìn)行現(xiàn)場測試,測試結(jié)果表明高頻軸承電壓峰值已經(jīng)降低到對軸承足夠安全的2V(如圖5)。也就是說,通過該裝置可以有效降低軸承電壓值,從而使軸承免受損傷。
變頻電機(jī)軸承電腐蝕問題一直是電機(jī)行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問題,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)也是如此。本文針對國內(nèi)某風(fēng)電場出現(xiàn)的大批量軸承電腐蝕問題,通過理論分析和風(fēng)電場試驗(yàn)對比,提出了一種改進(jìn)的軸承電腐蝕保護(hù)裝置。該裝置能夠大大降低軸承失效的概率,同時可適用于其他功率等級的雙饋發(fā)電機(jī),具有一定的工程和實(shí)用價值。
攝影:朱小峰