韓小地，徐榮鵬，李偉，王超，范明哲

（國(guó)電電力新疆新能源開發(fā)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 前言

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用的機(jī)型之一。雙饋異步發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)，由于其定、轉(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電，故簡(jiǎn)稱雙饋電機(jī)。它主要通過(guò)變流器對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流(頻率、幅值、相位)的控制，以達(dá)到與風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部分運(yùn)行特性匹配、提高風(fēng)能的利用效率及改善供電質(zhì)量的目的，具有變流器容量小、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障的發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸承失效故障在風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障中占有很大比例，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，軸承失效頻次逐年提高，嚴(yán)重影響了機(jī)組的可靠性，產(chǎn)生了維修成本上升、機(jī)組可利用率降低等問(wèn)題。大部分軸承失效的原因可以通過(guò)一定的機(jī)械維護(hù)手段和狀態(tài)監(jiān)控操作得以避免，然而，由軸電流引起的軸承損害卻不能采取類似的方法來(lái)消除。當(dāng)前，風(fēng)電廠3～5MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)數(shù)量很大，多數(shù)機(jī)組存在軸承早期損壞的問(wèn)題，尤其是發(fā)電機(jī)組部分，由于軸電流對(duì)其的影響，更容易產(chǎn)生早期損壞。

針對(duì)此類問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]中提出應(yīng)用頻域寄生電容法計(jì)算Hertz 軸承電流密度，該種軸承電流密度計(jì)算方法為定量評(píng)估軸承電損傷提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[3]中研究了載波頻率和電機(jī)運(yùn)行頻率對(duì)PWM 驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的共模電壓、軸電壓、軸承電流的影響，為研究軸承電流的抑制措施,提高PWM 驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)軸承運(yùn)行壽命提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)[4]提出了多電平反向變流器的脈寬調(diào)制策略，以降低或消除這些變流器的共模電壓，從而達(dá)到降低或消除軸電壓的目的。文獻(xiàn)[5]提出了一種在電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上在線測(cè)量軸承電壓以估計(jì)軸電壓和軸電流的方法，可以重現(xiàn)導(dǎo)致電燒蝕的典型軸電流。

本文通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組軸承早期損壞的原因、雙饋式發(fā)電機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生軸電流的原因以及改善措施、雙電平轉(zhuǎn)子部分變流器產(chǎn)生高次諧波的原因以及改善措施進(jìn)行了廣泛討論，提出了切實(shí)可行的工程實(shí)際措施，以期達(dá)到延長(zhǎng)軸承壽命、減小軸承電流的目的。

2 軸電流引起的軸承損壞原因分析

2.1 軸電流導(dǎo)致的燒蝕現(xiàn)象

軸電流流過(guò)軸承會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕及電燒蝕作用，瞬間放電釋放的熱量會(huì)造成潤(rùn)滑脂成分變性、惡化并使軸承滾道上產(chǎn)生搓板紋形損傷，逐漸引起軸承失效。這也是除因機(jī)械維護(hù)不當(dāng)造成軸承損壞之外的另一類主要問(wèn)題，即軸電流導(dǎo)致的軸承損壞。大部分因機(jī)械維護(hù)不當(dāng)造成的軸承失效現(xiàn)象都可以通過(guò)一定的維護(hù)手段和狀態(tài)監(jiān)控操作得以避免，而軸電流引起的軸承損害卻不能采取類似的方法來(lái)消除。

2.2 軸電流產(chǎn)生的主要原因

軸電流產(chǎn)生的主要原因是變流器產(chǎn)生的共模及差模電壓。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流器有兩臺(tái)，一臺(tái)設(shè)置于發(fā)電機(jī)的定子部分，一臺(tái)設(shè)置于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是三相繞組，通過(guò)三個(gè)滑環(huán)與變流器連接。轉(zhuǎn)子本身對(duì)軸是絕緣的，但由于變流器本身工作原理是PWM 脈寬調(diào)制方式，在高壓大電流晶體管開關(guān)過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生高壓尖峰脈沖電壓，該尖峰電壓的變化率極高，達(dá)到了1000～3000V/s。尖峰電壓可以輕易地通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與軸之間的分布電容，使軸與地之間產(chǎn)生高電位，這是軸電壓通過(guò)軸承的阻抗轉(zhuǎn)為軸電流的一個(gè)主要原因。

其次，由于變流器的晶體管工作電壓有500～1000V,工作頻率有100～500kHz，所以即使完全沒(méi)有尖峰電壓，也會(huì)有調(diào)制波基波分量的正弦波電壓存在，因此，也會(huì)產(chǎn)生軸電壓和軸電流，只不過(guò)，此時(shí)的軸電壓和軸電流會(huì)比有尖峰脈沖電壓和豐富高次諧波電壓時(shí)要低一點(diǎn)。

以滾動(dòng)軸承為例，在滾道上形成搓板紋形損傷可以充分證明有較大的電流流過(guò)，起作用的主要是兩個(gè)原因：

（1）在軸承滾動(dòng)體及滾道間，電流與潤(rùn)滑油中的殘酸及水分，形成電化學(xué)腐蝕。由于滾動(dòng)軸承的接觸基本上是點(diǎn)接觸，電流密度較大，這時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部較大強(qiáng)度的電化學(xué)腐蝕。

（2）由于油膜是不導(dǎo)電的，即使?jié)櫥椭谢煊兴旨皻埶?，電阻率仍然是較高的。滾動(dòng)軸承過(guò)渡潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致形成的油膜不穩(wěn)定，接觸電阻隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)忽大忽小，導(dǎo)致間歇放電，引起軸承滾道的電火花燒蝕。由于電火花燒蝕的原因，導(dǎo)致滾道逐漸產(chǎn)生不平滑的表面，這更進(jìn)一步導(dǎo)致接觸不良。所以一旦軸承滾道表面發(fā)生電火花燒蝕，只需要幾十伏電壓和一定電流（約0.1～2A），就會(huì)使?jié)L道在幾周時(shí)間內(nèi)形成擴(kuò)大損傷的搓板紋形損傷。在線切割機(jī)床（200V 電壓，1～3A 電流）上，切割絲在幾分鐘內(nèi)就可以把金屬割出幾毫米的切割口，可見電火花的燒蝕作用是不可低估的。

以上兩條相近結(jié)果但不同機(jī)理的損傷是同時(shí)發(fā)生的，原因都是軸電流反復(fù)作用擊穿油膜，導(dǎo)致間歇性電化學(xué)反應(yīng)以及電火花燒蝕，從而對(duì)軸承造成損傷。

3 軸電流導(dǎo)致燒蝕的解決方案

3.1 加裝共模及差模濾波器減少尖峰電壓

雙饋式發(fā)電機(jī)組用的變流器加裝濾波器以后可以將高次諧波和尖峰電壓濾除一部分，但是不能完全濾掉，過(guò)濾后的脈沖和尖峰現(xiàn)象會(huì)有一定的改善。當(dāng)變流器工作在開關(guān)狀態(tài)，外加濾波器的電感L 和電容C 大到一定程度時(shí)，開關(guān)晶體管的開關(guān)過(guò)渡時(shí)間會(huì)明顯變長(zhǎng)。當(dāng)完全濾掉高次諧波時(shí)，晶體管的工作狀態(tài)由開關(guān)狀態(tài)變?yōu)槟M放大狀態(tài)，此時(shí)，效率在80% 以下，有超過(guò)20% 的能量通過(guò)變流器中的開關(guān)晶體管以熱量形式發(fā)散掉，這時(shí)，變流器中的晶體管會(huì)過(guò)熱。

3.2 在變流器中采用零電流關(guān)斷技術(shù)減少軸電流

目前，雙饋式發(fā)電機(jī)組廣泛采用兩電平式開關(guān)原理，其優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，與轉(zhuǎn)子連接段既有功率輸入，也有功率輸出，是多象限工作模式，因此廣泛使用。但以前在大量生產(chǎn)變流器中，沒(méi)有采用零流關(guān)斷技術(shù)，所以諧波分量很大，加濾波器又會(huì)造成開關(guān)效率下降。因此，新一代開發(fā)的變流器中，在主變流開關(guān)晶體管中有電流測(cè)量電路來(lái)配合邏輯程序，在開關(guān)電流過(guò)零時(shí)切換導(dǎo)通或關(guān)斷。這樣即使電流變化率很大，但在變量為零或接近零時(shí)，不會(huì)激起很大的尖峰電壓。這樣既可以減小尖峰電壓，也不損失變流器的效率。零流關(guān)斷技術(shù)唯一的缺點(diǎn)是要改變變流器的硬件和軟件，不適合已有的風(fēng)電機(jī)組改裝。

3.3 在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引出滑環(huán)與變流器間加裝吸收電路

吸收電路可以吸收掉雷擊、浪涌等異常尖峰電壓，是常用的保護(hù)電路。但轉(zhuǎn)子變流器功率很大，有幾十至幾百千瓦，尖峰和高次諧波功率也很大，因此，采用吸收電路來(lái)吸收變流器工作產(chǎn)生的尖峰電壓，但是該過(guò)程是連續(xù)產(chǎn)生，功率很大，會(huì)導(dǎo)致吸收體發(fā)熱量很高，而且開關(guān)速度很快。這樣的吸收體很難選擇，而且有些吸收體是有擊穿次數(shù)限制的，也不適用于該場(chǎng)合，不過(guò)，不排除以后生產(chǎn)出功率很大、壽命很長(zhǎng)的器件可以運(yùn)用于此處。

3.4 采用多電平式變流器減少軸電流

在變流器品種中，兩電平式是最簡(jiǎn)單的，售價(jià)也最低，但在大于5MW 的機(jī)組中還有一種選擇，即多電平式變流器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且售價(jià)高，但高次諧波和尖峰脈沖問(wèn)題得到了較徹底的解決。這種方法原則上對(duì)小型變流器也是適用的，在以后新建的風(fēng)電機(jī)組中會(huì)得到廣泛使用。

3.5 采用絕緣軸承阻隔軸電流

采用絕緣軸承的原理是軸承座與地絕緣，不形成軸電流回路，從原理上杜絕了軸電流。但實(shí)際上也存在著工程技術(shù)上的問(wèn)題，首先，絕緣體的強(qiáng)度不如鋼材；其次，絕緣體在長(zhǎng)期使用中會(huì)產(chǎn)生塑性形變，綜合起來(lái)其壽命較短。這樣變相地使得即使沒(méi)有軸電流問(wèn)題，軸承座仍比鋼或鑄鐵的軸承座壽命短，維護(hù)費(fèi)用高，所以應(yīng)用的不廣泛。

3.6 軸采用接地滑環(huán)旁路軸電流

接地滑環(huán)的原理是在軸上安裝接地滑環(huán)來(lái)對(duì)地旁路軸電流。從理論上看，采用旁路方法可以使軸電流通過(guò)滑環(huán)接地，不通過(guò)軸承，但事實(shí)上為了實(shí)現(xiàn)依阻抗的旁通回路，還是需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)才行。因?yàn)榇朔椒ū容^適用于新、老機(jī)組采用，成本也不太高，所以在這里詳細(xì)討論此方法：

接地滑環(huán)的方法是在發(fā)電機(jī)軸上安裝除了饋電用的滑環(huán)之外的單獨(dú)的接地滑環(huán)和電刷，滑環(huán)與軸相連接，電刷與軸承座、地相連接。從理論上來(lái)看，如果跨接阻抗足夠，軸電流就會(huì)從滑環(huán)通過(guò)電刷與軸承座、地相連接。

目前電力和國(guó)際均對(duì)滑動(dòng)連接和搭接沒(méi)有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，但此類問(wèn)題有軍用標(biāo)準(zhǔn)可以參照：中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB/Z 25-91）《電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南》。這文中明確規(guī)定：搭接和連接阻抗不超過(guò)1mΩ；接地要遵守嚴(yán)格的接地規(guī)定以免引起阻抗耦合；搭接導(dǎo)線截面積和螺栓要符合規(guī)定。

首先雙饋式發(fā)電機(jī)組的軸有1.5m 左右長(zhǎng)，軸承安裝在兩個(gè)端點(diǎn)上。當(dāng)安裝一個(gè)接地滑環(huán)時(shí)，另一個(gè)軸承處于遠(yuǎn)端，而發(fā)生分布電容感應(yīng)軸電流是分布在整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組上，繞組長(zhǎng)度占了整個(gè)轉(zhuǎn)子軸承間距的70%～75%左右，有大約0.5～2mH 的電感。

在100kHz，0.1mH 電感阻抗，轉(zhuǎn)子軸電阻設(shè)為0Ω（實(shí)際大于0Ω）

所以實(shí)際阻抗z>>1mΩ。正因?yàn)榇嗽颍S本身電感量及阻抗是不可忽略的。

正確做法是在兩端軸承附近設(shè)置兩組滑環(huán)，以盡量短且粗的導(dǎo)線與軸承座做連接，保持阻抗。若按照（GJB/Z 25-91）的1mΩ 標(biāo)準(zhǔn)，要付很大代價(jià)才能達(dá)到目的。

另外，滑環(huán)碳刷的電阻也應(yīng)考慮在內(nèi)。如上海摩騰碳刷制品有限公司2.0MV/3.0MW 的主軸碳刷，出廠平均阻值為4mΩ。

對(duì)于旁路軸電流來(lái)說(shuō)，碳刷電阻不算太小，另外，如果在使用中外部連接導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)使旁路作用減弱。正因?yàn)榇嗽?，最佳方法是接地電刷采用含銅量較高的石墨做電刷，安裝位置靠近兩端軸承，連接到軸承座的導(dǎo)線越短越好。

如果安裝單個(gè)滑環(huán)，在遠(yuǎn)端的軸承仍然容易損壞，所以應(yīng)該在發(fā)電機(jī)的軸承附近安裝接地滑環(huán)，接地滑環(huán)就近與軸承座連接。軸承座與滑環(huán)的連搭線緊固螺釘要符合（GJB/Z 25-91）的規(guī)定，不僅要電阻率低，而且不能與基材發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

3.7 接地

接地對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行有著重要作用，也關(guān)系著整個(gè)發(fā)電機(jī)組的電磁兼容性是否良好。如果設(shè)計(jì)的不好，各部分接地點(diǎn)會(huì)發(fā)生電位不等現(xiàn)象，對(duì)變流器及軸承的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。如果軸承未連接接地滑環(huán)，那么，當(dāng)?shù)鼐€連接不正確時(shí)，也會(huì)發(fā)生各地點(diǎn)的電位不等現(xiàn)象。如果正好發(fā)生在發(fā)電機(jī)的兩端軸承之間，則會(huì)因?yàn)殡娢徊畹淖饔?，在某點(diǎn)由內(nèi)阻耦合產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。若該作用發(fā)生在軸承上，則會(huì)加劇軸電流的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型之一，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，但其特殊的轉(zhuǎn)子變頻供電方式引起的軸電流問(wèn)題為其安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患。本文針對(duì)采用滾動(dòng)式軸承的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸承早期損壞問(wèn)題，提出了切實(shí)可行的預(yù)防和抑制軸電流的工程解決方案。

針對(duì)新設(shè)計(jì)的機(jī)組來(lái)說(shuō)，總結(jié)起來(lái)有以下幾點(diǎn)：（1）首先，對(duì)于新設(shè)計(jì)的機(jī)組來(lái)說(shuō)，盡量采用多電平式變流器；其次，采用零流關(guān)斷式的雙電平變流器。（2）采用帶雙接地滑環(huán)式的發(fā)電機(jī)組，引出線與軸承座之間的連接線要盡量短，截面積要足夠。（3）轉(zhuǎn)子饋出線上要設(shè)計(jì)合理的濾波器和吸收電路。（4）要專門對(duì)機(jī)組的地線進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，盡量減少各接地點(diǎn)電位差。

針對(duì)已有舊機(jī)組進(jìn)行改裝時(shí)，有以下幾點(diǎn)需要注意：（1）盡量依據(jù)現(xiàn)有條件，加裝合理的濾波器和吸收電路。（2）盡量在發(fā)電機(jī)軸承處加裝雙接地滑環(huán)，并在滑環(huán)引出線和軸承座之間盡量短跨接足夠截面積的連接線。（3）對(duì)已有地線進(jìn)行了解，在發(fā)現(xiàn)不合理處予以采用補(bǔ)救措施。