风力发电机轴电压轴电流对轴承影响及改进措施

风力发电机轴电压轴电流对轴承影响及改进措施

李新富

福建省福能新能源有限责任公司，福建省 莆田市 351100

摘要：风力发电机轴承是经常发生故障的零部件之一，我们在经过不断的研究和调查分析发现，找到了影响风力发电机轴承故障的主要因素为发电机变频驱动造成的轴承过电流以及电腐蚀、润滑、磨损等。本文主要阐述了风力发电机轴电压轴电流对轴承影响的原因，制定了科学合理的改进措施，促进风力发电机的可持续发展。

关键词：风力发电机；轴电压；轴电流；轴承

目前我国对于环境污染问题高度重视，节能减排成为首要的任务和目标，风能是我国最近经常使用的一种绿色可再生资源，在我国资源中起到了十分重要的作用，风能转换为电能的过程中，风力发电机是重要的设施之一，其中轴承又是风力发电机中的重要组成部分，因此找到风力发电机轴承故障的影响因素，是保障风力发电机正常工作运行的关键。

1 发电机轴承损坏原因分析

1.1 润滑

润滑是保障滚动轴承稳定运行的重要条件之一，在轴承工作中润滑剂能够有效的起到保护作用，形成保护膜避免金属与金属之间直接接触，因此如果润滑效果不理想，轴承的磨损程度就会增加，轴承的使用寿命就会受到影响。

1.2 发电机与齿轮箱轴不对中

一旦齿轮箱与发电机轴不在同一垂直线上，就会造成同步轴振动，引发联轴器一起振动，长时间的振动会造成发电机轴承的间隙变大，影响发电机轴承的正常工作运行。

1.3 轴承安装工艺与材质问题

轴承在安装或者运输的过程中，一定要保障其包装符合要求，避免存在大力磕碰的现象，轴承一旦在运输和安装中出现质量问题，就会在后期的使用中出现故障，导致失效。

1.4 电腐蚀

当电流从一个滚道流到另外一个滚道的时候，轴承就会发生电腐蚀现象，轴承受到电腐蚀的程度与放电量以及持续时间有着密切的关系，在长时间的电腐蚀影响下，轴承的使用寿命肯定会受到影响，轴承起到的作用就会随之下降。

2 发电机轴承损坏原因防范措施

想要有效的解决风力发电机轴承失效的问题，我们采取了一定的预防措施：定期的组织专业人员对发电机自动加脂机运行状况进行检查，保障轴承润滑效果良好；增加检查轴对中的次数，一定要保障轴对中的准确度；轴承的更换一定要由专业人员操作，更换前制定科学合理的方案，避免杂质和油污进入到轴承中产生机械损伤。我们将轴承中的安装工艺、润滑、轴对中等因素进行合理的控制，如果轴承还出现问题，就可能是电腐蚀引发的，轴电压和轴电流是主要的影响因素。

3 轴电压轴电流的产生及危害

3.1 轴电压轴电流产生原因

风力发电机主要采取的是PWM调制方式的变频器，我们在开启功率器件的同时就会产生较大的电压尖峰，电压尖峰会对电压的变化率产生较大的影响，如果数值大于3000V/s，尖峰电压就会产生1MHz频率，通过传动系统的寄生电感、寄生电容耦合到电机轴上，轴承内圈油膜很容易因为电机轴传导的电流被击穿，击穿后传导到外圈，轴承因为外圈和地面产生回路而产生高频电流。

3.2 轴电压轴电流的危害

3.2.1 损坏润滑油的润滑性能

轴承在工作运行的过程中，其中润滑油产生的油膜会影响Cb寄生电容的电容值，电容值随着油膜厚度的增加而增大，风力发电机在高空作业时经常出现摆动的现象，油膜会因为摆动现象而引发不稳定状况出现，造成Cb电压较高，油膜出现击穿的情况。

一旦油膜被击穿，润滑油可能出现电解反应，润滑效果下降。经过我们对轴承内外圈绝缘性能的调查研究发现，新轴承能够承受的电压比较高，而长时间使用的旧轴承绝缘效果很差，因此润滑油的电解是一个不可逆的过程。

3.2.2 对轴承造成电腐蚀

Cb内通常都储存一定量的电荷，如果润滑油油膜出现击穿现象，在击穿位置可能出现放电，造成金属表面的电流密度增加，热量短时间内突然升高，金属表面熔化，发生凹坑。随着油膜在风力发电机运行中不断的出现击穿现象，

产生的凹坑也不断的增多，长时间后就会造成轴承因为振动过大、温度过高、间隙过大等因素出现故障。

4 改进措施

经过我们的不断实验和分析，制定了科学合理的解决措施，将发电机轴端两侧都安装接地碳刷，一般发电机出厂时接地碳刷只安装在非驱动端，经过我们调查研究发现，一端接地碳刷起到的效果不是很理想，同时还可能因为发电机运行时产生的振动造成接地碳刷与轴接触不良，一旦接触不良就会造成轴电压升高，油膜出现被击穿的现象，轴承受到电腐蚀的影响加剧。目前我们主要采取将轴上积累的电荷分散导入到接地端的方式解决以上问题，保障接地碳刷与发电机轴基础良好。（1）保障接地环与发电机轴端接触牢固，紧密；（2）在发电机配电箱内安装碳刷报警系统，一旦出现接触不良就会触发警报，第一时间进行整改。

5 数据测量

5.1 测量前准备工作

数据测量前的准备工作涉及的内容比较多，先是井联轴器罩壳的拆除，发电机集电环室罩壳的拆除，然后是对非驱动接地碳刷接线和驱动接地碳刷接线的仔细拆除。

5.2 轴电压的测量方法

在发电机的驱动端与非驱动端安装自制测试碳刷，保障碳刷与轴良好接触，使用万用表进行测量，万用表调节到交流电压档，一支笔测量碳刷引线、一支笔测量接地，开启发电机，不断的对发电机负荷进行调整，对不同负荷下轴电压进行分别记录。

5.3 轴电流的测量方法

轴电流的测量方式与轴电压的测量方式基本相同，区别就是将万用表调节到交流电流档，分别对不同负荷下的轴电流进行测量并记录。

5.4 测量数据采集点

我们主要对发电机在接地或者无接地时的驱动侧及非驱动侧两端轴电压、轴电流进行测量，并进行记录。我们通过对不同条件下的18台发电机进行试验，其中更换过两端轴承的6台发电机运行产生的振动平稳，更换过两端轴承的6台发电机运行产生的振动较大，最后6台没有更换发动机两端轴承的按照以上测量方式对前后数据进行对比。

6 改进措施后的可行性分析

6.1 采集数据分析

经过我们实际得到的数据进行对比，发电机在不同状态下运行时，发电机安装一组接地碳刷比无接地碳刷轴电压有很大程度的降低，如果发电机安装两组接地碳刷，基本测量不到轴电压，轴电流也有着明显的改善。

6.2 振动监测分析

经过我们3个月的振动监测结果发现，在发电机轴承工作状态不同的情况下，发电机振动在改良后效果明显，趋于平稳，对更换的轴承和维修的轴承分析研究发现，没有进一步损坏的情况。

6.3 与其他机型轴电压轴电流对比

我们将发动机轴承驱动侧与非驱动侧都安装了接地碳刷的不同发电机型号进行对比，在并网运行一段时间之后我们发现，不同发电机型号的轴承驱动侧与非驱动侧损坏率差异不多，这就说明轴电流轴电压的产生与发电机型号没有联系，轴承驱动侧与非驱动侧两端接地有效的对轴电压轴电流进行控制。

7 结语

经过以上的研究和分析发现，改良后的风力发电机轴电流和轴电压得到了有效的控制，轴承的故障率降低，使用寿命延长，发电机运行的更加安全稳定，

避免因为轴承故障造成的停机现象，提升了风力发电机的发电量。

参考文献：

[1]刘瑞芳,孟延停,任雪娇,王芹芹. 直驱式永磁同步风力发电机轴电流问题分析[J]. 电机与控制学报,2019,23(08):43-49.

[2]刘瑞芳,孟延停. 表贴式与内置式永磁同步风力发电机的轴电流模型对比分析[J]. 北京交通大学学报,2017,41(02):106-111.

[3]关宝峰. 轴电流对风力发电机危害及预防措施[J]. 时代农机,2017,44(09):48+50.

[4]李志刚. 风力发电机轴电流抑制探讨[J]. 机电工程技术,2020,49(01):200-202.

[5]刘瑞芳,陈嘉垚,朱健,任雪娇. 轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流抑制效果研究[J]. 电工技术学报,2020,35(S1):212-219.