摘 要： 在現(xiàn)場SL1500機組運行中，部分1.5 MW雙饋風力發(fā)電機多次出現(xiàn)軸承電蝕、發(fā)電機轉子繞組對地擊穿等故障。通過型式試驗、解體測繪，對原型發(fā)電機設計缺陷進行分析，提出技術改造方案：對于發(fā)電機轉子，采用優(yōu)化散熱水平、結構設計，提高絕緣可靠性方面的改造;對于發(fā)電機軸承，提高抗軸電壓能力，優(yōu)化潤滑和裝配結構;對于其他缺陷，進行針對性的設計改進。在CNAS認證的型式試驗站下進行了評測，結果：相關指標滿足國家標準要求，表明發(fā)電機軸承故障和轉子故障從根源上得以解決。改造方法值得同行參考借鑒。

　　關鍵詞： 雙饋風力發(fā)電機;轉子絕緣;軸承電蝕;型式試驗;CNAS

　　《貴州水力發(fā)電》(雙月刊)創(chuàng)刊地1986年，由貴州省水力發(fā)電工程學會、貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司主辦。

　　引言

　　2006年以來，我國風電行業(yè)取得快速發(fā)展。風電機組主要裝機類型有直驅永磁型和雙饋型。在風電行業(yè)快速發(fā)展的同時，這些類型的風電機組在運行期間也暴露出一些質量問題，如葉片斷裂、齒輪箱斷齒、發(fā)電機轉子絕緣燒損等[1]。

　　發(fā)電機是風電機組的核心部件，其故障的解決尤為關鍵。近幾年來，以華銳SL1500機組(雙饋型)的發(fā)電機為典型，很多發(fā)動機出現(xiàn)了軸承電蝕、發(fā)電機轉子繞組對地擊穿等故障[2]。針對此，國內風電技術研究者提出了更換絕緣軸承等一系列技術措施[3]，但均未系統(tǒng)性地解決故障問題[4]。

　　國華河北分公司佳鑫、永發(fā)風電場(以下簡稱“國華佳鑫、永發(fā)風電場”)自2011年以來投運華銳SL1500機組，其采用1.5 MW天元雙饋變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。為了解決風電機組的故障問題，提高風電機組的運行穩(wěn)定性及發(fā)電效率，降低風電運行成本，本文從設計角度出發(fā)，以國華佳鑫、永發(fā)風電場為研究對象，對華銳SL1500系列機組發(fā)電機存在的問題進行分析，提出具體的解決方案。在方案設計完成后，通過測試驗證這些方案的有效性。最后，將通過測試并驗證可行的解決方案進行推廣，通過改造前后風電場運行數(shù)據(jù)的對比，驗證方案的可操作性。

　　1 原型發(fā)電機分析與改造設想

　　國華佳鑫、永發(fā)風電場華銳SL1500機組的1.5 MW天元雙饋風力發(fā)電機(以下簡稱“1.5 MW雙饋風力發(fā)電機”)結構示意圖如圖1所示。該機型發(fā)電機自2011年運行至今，發(fā)電機軸承故障較多，其中2014年轉子繞組對地絕緣擊穿故障次數(shù)占比超過10%。通過型式試驗、解體測繪對其設計缺陷進行分析，提出改造設想。

　　1.1 原型機型式試驗

　　國華河北分公司1.5 MW雙饋風力發(fā)電機轉子繞組溫升高(電阻法，約121.6 K)，定子繞組溫度為86 K。發(fā)電機轉子繞組溫升值高出H級絕緣F級考核標準。

　　1.2 原型機解體測繪

　　結合國華佳鑫、永發(fā)風電場1.5 MW雙饋風力發(fā)電機故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，經(jīng)解體測繪得知：

　　(1)在采用的絕緣軸承結構中，前后絕緣軸承外圈未得以有效固定;在運行中，絕緣軸承外圈可軸向自由竄動，致使頻繁出現(xiàn)軸承疲勞損傷等故障;

　　(2)軸承室結構設計不合理，軸承潤滑油路長，油路堵塞故障頻發(fā);

　　(3)軸承PT100埋置遠離軸承室，不能有效監(jiān)控軸承的實際溫升;

　　(4)轉子為散嵌結構，線圈端部未有效固定，端部線圈與支架存在位移變化，可引發(fā)轉子絕緣擊穿故障;

　　(5)轉子鐵心長，轉子通風孔數(shù)量及通風直徑小，冷卻風扇側未有效優(yōu)化風路結構，轉子冷卻風扇處存在風路自循環(huán)缺陷;

　　(6)定子為散嵌結構，線圈兩端端部未進行有效固定，定子絕緣擊穿風險系數(shù)高，PT100埋置在定子線圈表面位置，不利于監(jiān)控定子溫升狀況。

　　1.3 原型機存在的設計缺陷分析

　　(1)發(fā)電機轉子結構設計不合理。高速旋轉轉子采用散嵌繞組結構，且端部固定不牢。散嵌繞組在高速旋轉下端部易產(chǎn)生位移變化，導致發(fā)電機轉子不平衡量大，發(fā)電機運行時振動異常，線圈端部絕緣出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，引發(fā)發(fā)電機轉子絕緣擊穿故障。

　　(2)發(fā)電機轉子通風結構設計不合理。發(fā)電機轉子通風道風阻大，內風路離心風扇提供的風壓不夠，導致內風路風速小，影響發(fā)電機通風散熱，導致發(fā)電機轉子溫升高(根據(jù)章節(jié)1.1，轉子繞組溫升約121.6 K)。發(fā)電機繞組溫升高將縮短發(fā)電機絕緣使用壽命，從而加劇轉子絕緣故障。

　　(3)發(fā)電機軸承潤滑結構不合理。軸承潤滑結構緊湊，潤滑油路阻力大，致使?jié)櫥粫常绊懓l(fā)電機軸承散熱。發(fā)電機轉子溫升高，必然加劇提升發(fā)電機軸承溫升，從而引發(fā)發(fā)電機軸承故障。

　　(4)發(fā)電機滑環(huán)系統(tǒng)設計不合理。國華永發(fā)風電場1.5 MW雙饋風力發(fā)電機采用每相2個相碳刷滑環(huán)結構。發(fā)電機在額定運行時，相碳刷承受的電密較大，相碳刷對滑環(huán)打火放電，導致發(fā)電機滑環(huán)系統(tǒng)燒損。

　　(5)發(fā)電機不平衡量大。轉子動平衡是在風扇安裝前完成的，風扇安裝后無平衡塊安裝位，無法保證不平衡量滿足要求。

　　(6)發(fā)電機內風扇結構可靠性差。風扇的外形呈錐形，這將導致連接鉚釘在風扇旋轉時要承受較大的拉力而破損。

　　1.4 改造設想

　　通過章節(jié)1.1～1.3的分析，國華河北分公司聯(lián)合江蘇中車電機有限公司、內蒙古巨創(chuàng)電氣設備有限公司等單位對1.5 MW雙饋風力發(fā)電機進行技術改造，具體工作內容包括：發(fā)電機轉子結構優(yōu)化設計、發(fā)電機軸承結構優(yōu)化設計和其他結構設計。

　　2 改進措施

　　為解決佳鑫、永發(fā)風電場1.5 MW雙饋風力發(fā)電機轉子絕緣擊穿、軸承電蝕及疲勞損傷等故障，通過認真分析，聯(lián)合江蘇中車電機有限公司、內蒙古巨創(chuàng)電氣設備有限公司等單位，從發(fā)電機結構設計、制造工藝等多角度進行優(yōu)化設計，保留原型機可用部分，最大限度優(yōu)化發(fā)電機性能，從根源上解決原型機常見故障。

　　2.1 發(fā)電機轉子優(yōu)化設計

　　重新設計發(fā)電機轉子結構，將散嵌繞組結構改為成型繞組結構，在提高發(fā)電機結構可靠性的同時，提升轉子散熱水平，防止發(fā)電機轉子高溫引起轉子絕緣材料性能和使用壽命下降，最終起到提升發(fā)電機絕緣可靠性的目的[5]。主要從如下幾方面進行優(yōu)化設計。

　　2.1.1 優(yōu)化發(fā)電機散熱水平

　　(1)優(yōu)化發(fā)電機電磁方案，降低發(fā)電機定、轉子熱負荷，減少發(fā)電機損耗;

　　(2)優(yōu)化發(fā)電機矽鋼片，降低轉子鐵耗;

　　(3)優(yōu)化發(fā)電機轉子冷卻風扇，增大內風路風壓;

　　(4)增大發(fā)電機轉子軸向通風面積，減低風阻;

　　(5)優(yōu)化內風路，減低發(fā)電機內部風路紊流;

　　(6)優(yōu)化發(fā)電機風阻特性，提高發(fā)電機散熱水平。

　　2.1.2 優(yōu)化發(fā)電機轉子結構的可靠性

　　(1)轉子采用開口槽結構設計，采用成型繞組線圈，端部進行無緯帶綁扎，提高發(fā)電機轉子結構可靠性;

　　(2)通過通風結構設計，減低發(fā)電機轉子溫升，兼以提升發(fā)電機絕緣可靠性。

　　2.1.3 優(yōu)化轉子絕緣可靠性

　　(1)轉子線圈采用H級絕緣結構;

　　(2)導線采用優(yōu)質紫銅帶，每匝外包有耐電暈聚酰亞胺薄膜補強的少膠云母帶;

　　(3)選用先進的絕緣結構、耐電暈材料，引進真空壓力浸漆、旋轉烘培技術，確保轉子繞組耐變頻器過電壓的能力。

　　2.2 發(fā)電機軸承結構優(yōu)化設計

　　雙饋風電機組控制機理決定了發(fā)電機轉子變頻控制。該控制機理必然使得發(fā)電機轉軸上產(chǎn)生高頻軸電壓，而軸電壓本質上是共模電壓的一部分，對雙饋電機危害巨大[6]。發(fā)電機定子鐵芯組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉子空氣間隙不均勻等，往往會造成發(fā)電機的磁路不對稱。發(fā)電機主軸在這種不對稱的磁場中旋轉，會形成軸電流、軸電壓。由于發(fā)電機轉子和軸承、大地所構成的回路阻抗很小，軸電流密度一旦超過0.2 A/cm2，就可能形成很大的軸電流，對軸承造成擊穿放電，乃至電擊侵蝕。因此，雙饋風力發(fā)電機軸電壓抑制不當，將導致發(fā)電機軸承批量發(fā)生電蝕故障。結合雙饋風力發(fā)電機組工作原理，在對1.5 MW雙饋風力發(fā)電機進行優(yōu)化設計時，重點關注軸電壓的釋放，以提高發(fā)電機軸承抗軸電壓能力;優(yōu)化發(fā)電機軸承潤滑結構，避免軸承運行時因潤滑不當引起高溫，以減低軸承疲勞損傷。

　　2.2.1 提高發(fā)電機軸承抗軸電壓能力

　　(1)進行發(fā)電機軸承選型設計。計算得到發(fā)電機軸承使用壽命為不低于20年;軸承為非絕緣軸承(FAG/SKF)，采用進口件軸承，確保軸承質量可靠性。

　　(2)將絕緣軸承結構改為絕緣端蓋結構(如圖2所示)。絕緣體將端蓋與軸承座隔離，阻斷軸電流的途徑。采用絕緣端蓋結構可提升發(fā)電機轉軸對地絕緣性能，確保發(fā)電機抗軸承電蝕能力[7]。優(yōu)化后，絕緣端蓋耐壓2 000 V(DC)，對地絕緣電阻≥1 MΩ。

　　(3)傳動端增加接地裝置。通過轉軸有效接地，釋放發(fā)電機轉軸上電壓，避免軸電壓對軸承的影響。

　　2.2.2 優(yōu)化軸承潤滑和軸承裝配結構

　　(1)重新設計軸承潤滑結構。減低軸承潤滑通道阻力，確保軸承有效潤滑，防止軸承潤滑不暢引起的軸承高溫疲勞故障。

　　(2)優(yōu)化軸承裝配結構。增加傳動端軸承冷卻風扇，減低發(fā)電機軸承溫升;優(yōu)化發(fā)電機轉子通風結構，減低轉子溫升對軸承的熱傳導。綜合減低軸承溫度，有效提升軸承使用壽命。

　　2.3 其他結構設計

　　2016年以來，通過對國華佳鑫、永發(fā)風電場1.5 MW雙饋風力發(fā)電機進行解體分析，發(fā)現(xiàn)其原型機還存在其他缺陷。為徹底解決有關問題，進行了如下設計改進。

　　(1)優(yōu)化滑環(huán)系統(tǒng)和滑環(huán)室結構。增加每相發(fā)電機碳刷數(shù)量，提高滑環(huán)室內風量，減低滑環(huán)電密過大引起的打火故障及碳粉堆積引起的滑環(huán)相間短接擊穿故障。

　　(2)將N端絕緣端蓋與滑環(huán)座分離[5]，有效防止N端絕緣端蓋積碳短接引起的軸承電蝕故障。

　　(3)參照GB/T 755要求，重新設計軸承溫度傳感器安裝位置，確保軸承溫度監(jiān)控有效。

　　(4)在確保發(fā)電機效率和電能品質的前提下，增大發(fā)電機定、轉子氣息，減低發(fā)電機轉子撓度，防止轉子撓度大引起的發(fā)電機振動異常。

　　(5)檢查發(fā)電機定子繞組絕緣性能，結合江蘇中車電機有限公司絕緣研發(fā)技術，對其定子絕緣使用壽命進行評估，修理中對發(fā)電機定子繞組進行補浸器處理，提升發(fā)電機定子繞組對地絕緣性能。

　　(6)清理發(fā)電機機座水道殘留物，提升發(fā)電機機座散熱水平。

　　(7)檢查發(fā)電機引出電纜線，對其薄弱部分進行更換處理，確保維修后發(fā)電機絕緣可靠性。

　　(8)檢查發(fā)電機集中潤滑器、轉速編碼器和滑環(huán)系統(tǒng)，對其缺陷部分進行維護維修，提升發(fā)電機整體質量性能。

　　(9)三防設計。維修后發(fā)電機主要用于內陸，因此其防護條件遵循ISO12944中，C3的防護條件，采用如下的外表面涂敷結構：

　　① 底漆：環(huán)氧富鋅底漆，干膜厚度50 μm;

　　② 中間漆：厚漿環(huán)氧漆，干膜厚度100 μm;

　　③ 面漆：聚氨脂面漆，干膜厚度50 μm。

　　干膜總厚度不小于200 μm。