摘 要： 在現(xiàn)場SL1500機(jī)組運(yùn)行中，部分1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次出現(xiàn)軸承電蝕、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組對地?fù)舸┑裙收稀Ｍㄟ^型式試驗(yàn)、解體測繪，對原型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行分析，提出技術(shù)改造方案：對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，采用優(yōu)化散熱水平、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高絕緣可靠性方面的改造;對于發(fā)電機(jī)軸承，提高抗軸電壓能力，優(yōu)化潤滑和裝配結(jié)構(gòu);對于其他缺陷，進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。在CNAS認(rèn)證的型式試驗(yàn)站下進(jìn)行了評測，結(jié)果：相關(guān)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，表明發(fā)電機(jī)軸承故障和轉(zhuǎn)子故障從根源上得以解決。改造方法值得同行參考借鑒。

　　關(guān)鍵詞： 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)子絕緣;軸承電蝕;型式試驗(yàn);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(xué)會、貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司主辦。

　　引言

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

　　發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，其故障的解決尤為關(guān)鍵。近幾年來，以華銳SL1500機(jī)組(雙饋型)的發(fā)電機(jī)為典型，很多發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了軸承電蝕、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組對地?fù)舸┑裙收蟍2]。針對此，國內(nèi)風(fēng)電技術(shù)研究者提出了更換絕緣軸承等一系列技術(shù)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(fēng)電場(以下簡稱“國華佳鑫、永發(fā)風(fēng)電場”)自2011年以來投運(yùn)華銳SL1500機(jī)組，其采用1.5 MW天元雙饋?zhàn)兯俸泐l發(fā)電系統(tǒng)。為了解決風(fēng)電機(jī)組的故障問題，提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及發(fā)電效率，降低風(fēng)電運(yùn)行成本，本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，以國華佳鑫、永發(fā)風(fēng)電場為研究對象，對華銳SL1500系列機(jī)組發(fā)電機(jī)存在的問題進(jìn)行分析，提出具體的解決方案。在方案設(shè)計(jì)完成后，通過測試驗(yàn)證這些方案的有效性。最后，將通過測試并驗(yàn)證可行的解決方案進(jìn)行推廣，通過改造前后風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證方案的可操作性。

　　1 原型發(fā)電機(jī)分析與改造設(shè)想

　　國華佳鑫、永發(fā)風(fēng)電場華銳SL1500機(jī)組的1.5 MW天元雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡稱“1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)”)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該機(jī)型發(fā)電機(jī)自2011年運(yùn)行至今，發(fā)電機(jī)軸承故障較多，其中2014年轉(zhuǎn)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(yàn)、解體測繪對其設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行分析，提出改造設(shè)想。

　　1.1 原型機(jī)型式試驗(yàn)

　　國華河北分公司1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫升值高出H級絕緣F級考核標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2 原型機(jī)解體測繪

　　結(jié)合國華佳鑫、永發(fā)風(fēng)電場1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)解體測繪得知：

　　(1)在采用的絕緣軸承結(jié)構(gòu)中，前后絕緣軸承外圈未得以有效固定;在運(yùn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yuǎn)離軸承室，不能有效監(jiān)控軸承的實(shí)際溫升;

　　(4)轉(zhuǎn)子為散嵌結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)子絕緣擊穿故障;

　　(5)轉(zhuǎn)子鐵心長，轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔數(shù)量及通風(fēng)直徑小，冷卻風(fēng)扇側(cè)未有效優(yōu)化風(fēng)路結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)扇處存在風(fēng)路自循環(huán)缺陷;

　　(6)定子為散嵌結(jié)構(gòu)，線圈兩端端部未進(jìn)行有效固定，定子絕緣擊穿風(fēng)險(xiǎn)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(jī)存在的設(shè)計(jì)缺陷分析

　　(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子采用散嵌繞組結(jié)構(gòu)，且端部固定不牢。散嵌繞組在高速旋轉(zhuǎn)下端部易產(chǎn)生位移變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量大，發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)子絕緣擊穿故障。

　　(2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道風(fēng)阻大，內(nèi)風(fēng)路離心風(fēng)扇提供的風(fēng)壓不夠，導(dǎo)致內(nèi)風(fēng)路風(fēng)速小，影響發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升高(根據(jù)章節(jié)1.1，轉(zhuǎn)子繞組溫升約121.6 K)。發(fā)電機(jī)繞組溫升高將縮短發(fā)電機(jī)絕緣使用壽命，從而加劇轉(zhuǎn)子絕緣故障。

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

　　(4)發(fā)電機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。國華永發(fā)風(fēng)電場1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用每相2個相碳刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時，相碳刷承受的電密較大，相碳刷對滑環(huán)打火放電，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)燒損。

　　(5)發(fā)電機(jī)不平衡量大。轉(zhuǎn)子動平衡是在風(fēng)扇安裝前完成的，風(fēng)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(jī)內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)可靠性差。風(fēng)扇的外形呈錐形，這將導(dǎo)致連接鉚釘在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時要承受較大的拉力而破損。

　　1.4 改造設(shè)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(jī)有限公司、內(nèi)蒙古巨創(chuàng)電氣設(shè)備有限公司等單位對1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，具體工作內(nèi)容包括：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　2 改進(jìn)措施

　　為解決佳鑫、永發(fā)風(fēng)電場1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣擊穿、軸承電蝕及疲勞損傷等故障，通過認(rèn)真分析，聯(lián)合江蘇中車電機(jī)有限公司、內(nèi)蒙古巨創(chuàng)電氣設(shè)備有限公司等單位，從發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等多角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保留原型機(jī)可用部分，最大限度優(yōu)化發(fā)電機(jī)性能，從根源上解決原型機(jī)常見故障。

　　2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　重新設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將散嵌繞組結(jié)構(gòu)改為成型繞組結(jié)構(gòu)，在提高發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性的同時，提升轉(zhuǎn)子散熱水平，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高溫引起轉(zhuǎn)子絕緣材料性能和使用壽命下降，最終起到提升發(fā)電機(jī)絕緣可靠性的目的[5]。主要從如下幾方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　2.1.1 優(yōu)化發(fā)電機(jī)散熱水平

　　(1)優(yōu)化發(fā)電機(jī)電磁方案，降低發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷，減少發(fā)電機(jī)損耗;

　　(2)優(yōu)化發(fā)電機(jī)矽鋼片，降低轉(zhuǎn)子鐵耗;

　　(3)優(yōu)化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)扇，增大內(nèi)風(fēng)路風(fēng)壓;

　　(4)增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)面積，減低風(fēng)阻;

　　(5)優(yōu)化內(nèi)風(fēng)路，減低發(fā)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路紊流;

　　(6)優(yōu)化發(fā)電機(jī)風(fēng)阻特性，提高發(fā)電機(jī)散熱水平。

　　2.1.2 優(yōu)化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可靠性

　　(1)轉(zhuǎn)子采用開口槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用成型繞組線圈，端部進(jìn)行無緯帶綁扎，提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可靠性;

　　(2)通過通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升，兼以提升發(fā)電機(jī)絕緣可靠性。

　　2.1.3 優(yōu)化轉(zhuǎn)子絕緣可靠性

　　(1)轉(zhuǎn)子線圈采用H級絕緣結(jié)構(gòu);

　　(2)導(dǎo)線采用優(yōu)質(zhì)紫銅帶，每匝外包有耐電暈聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)的少膠云母帶;

　　(3)選用先進(jìn)的絕緣結(jié)構(gòu)、耐電暈材料，引進(jìn)真空壓力浸漆、旋轉(zhuǎn)烘培技術(shù)，確保轉(zhuǎn)子繞組耐變頻器過電壓的能力。

　　2.2 發(fā)電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　雙饋風(fēng)電機(jī)組控制機(jī)理決定了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變頻控制。該控制機(jī)理必然使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生高頻軸電壓，而軸電壓本質(zhì)上是共模電壓的一部分，對雙饋電機(jī)危害巨大[6]。發(fā)電機(jī)定子鐵芯組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻等，往往會造成發(fā)電機(jī)的磁路不對稱。發(fā)電機(jī)主軸在這種不對稱的磁場中旋轉(zhuǎn)，會形成軸電流、軸電壓。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承、大地所構(gòu)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(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓抑制不當(dāng)，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承批量發(fā)生電蝕故障。結(jié)合雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理，在對1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，重點(diǎn)關(guān)注軸電壓的釋放，以提高發(fā)電機(jī)軸承抗軸電壓能力;優(yōu)化發(fā)電機(jī)軸承潤滑結(jié)構(gòu)，避免軸承運(yùn)行時因潤滑不當(dāng)引起高溫，以減低軸承疲勞損傷。

　　2.2.1 提高發(fā)電機(jī)軸承抗軸電壓能力

　　(1)進(jìn)行發(fā)電機(jī)軸承選型設(shè)計(jì)。計(jì)算得到發(fā)電機(jī)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(jìn)口件軸承，確保軸承質(zhì)量可靠性。

　　(2)將絕緣軸承結(jié)構(gòu)改為絕緣端蓋結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)可提升發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸對地絕緣性能，確保發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)軸有效接地，釋放發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

　　(1)重新設(shè)計(jì)軸承潤滑結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。增加傳動端軸承冷卻風(fēng)扇，減低發(fā)電機(jī)軸承溫升;優(yōu)化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)，減低轉(zhuǎn)子溫升對軸承的熱傳導(dǎo)。綜合減低軸承溫度，有效提升軸承使用壽命。

　　2.3 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2016年以來，通過對國華佳鑫、永發(fā)風(fēng)電場1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行解體分析，發(fā)現(xiàn)其原型機(jī)還存在其他缺陷。為徹底解決有關(guān)問題，進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)改進(jìn)。

　　(1)優(yōu)化滑環(huán)系統(tǒng)和滑環(huán)室結(jié)構(gòu)。增加每相發(fā)電機(jī)碳刷數(shù)量，提高滑環(huán)室內(nèi)風(fēng)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(shè)計(jì)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(jī)效率和電能品質(zhì)的前提下，增大發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣息，減低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子撓度，防止轉(zhuǎn)子撓度大引起的發(fā)電機(jī)振動異常。

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

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

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

　　(8)檢查發(fā)電機(jī)集中潤滑器、轉(zhuǎn)速編碼器和滑環(huán)系統(tǒng)，對其缺陷部分進(jìn)行維護(hù)維修，提升發(fā)電機(jī)整體質(zhì)量性能。

　　(9)三防設(shè)計(jì)。維修后發(fā)電機(jī)主要用于內(nèi)陸，因此其防護(hù)條件遵循ISO12944中，C3的防護(hù)條件，采用如下的外表面涂敷結(jié)構(gòu)：

　　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。