摘 要： 在現場SL1500機組運行中，部分1.5 MW雙饋風力發電機多次出現軸承電蝕、發電機轉子繞組對地擊穿等故障。通過型式試驗、解體測繪，對原型發電機設計缺陷進行分析，提出技術改造方案：對于發電機轉子，采用優化散熱水平、結構設計，提高絕緣可靠性方面的改造;對于發電機軸承，提高抗軸電壓能力，優化潤滑和裝配結構;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： 雙饋風力發電機;轉子絕緣;軸承電蝕;型式試驗;CNAS

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

　　引言

　　2006年以來，我國風電行業取得快速發展。風電機組主要裝機類型有直驅永磁型和雙饋型。在風電行業快速發展的同時，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、發電機轉子絕緣燒損等[1]。

　　發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)的發電機為典型，很多發動機出現了軸承電蝕、發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]，但均未系統性地解決故障問題[4]。

　　國華河北分公司佳鑫、永發風電場(以下簡稱“國華佳鑫、永發風電場”)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電系統。為了解決風電機組的故障問題，提高風電機組的運行穩定性及發電效率，降低風電運行成本，本文從設計角度出發，以國華佳鑫、永發風電場為研究對象，對華銳SL1500系列機組發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據的對比，驗證方案的可操作性。

　　1 原型發電機分析與改造設想

　　國華佳鑫、永發風電場華銳SL1500機組的1.5 MW天元雙饋風力發電機(以下簡稱“1.5 MW雙饋風力發電機”)結構示意圖如圖1所示。該機型發電機自2011年運行至今，發電機軸承故障較多，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、永發風電場1.5 MW雙饋風力發電機故障統計數據，經解體測繪得知：

　　(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;

　　(3)軸承PT100埋置遠離軸承室，不能有效監控軸承的實際溫升;

　　(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，可引發轉子絕緣擊穿故障;

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

　　(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高，PT100埋置在定子線圈表面位置，不利于監控定子溫升狀況。

　　1.3 原型機存在的設計缺陷分析

　　(1)發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生位移變化，導致發電機轉子不平衡量大，發電機運行時振動異常，線圈端部絕緣出現撕裂現象，引發發電機轉子絕緣擊穿故障。

　　(2)發電機轉子通風結構設計不合理。發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，影響發電機通風散熱，導致發電機轉子溫升高(根據章節1.1，轉子繞組溫升約121.6 K)。發電機繞組溫升高將縮短發電機絕緣使用壽命，從而加劇轉子絕緣故障。

　　(3)發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，致使潤滑不暢，影響發電機軸承散熱。發電機轉子溫升高，必然加劇提升發電機軸承溫升，從而引發發電機軸承故障。

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

　　(5)發電機不平衡量大。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1.1～1.3的分析，國華河北分公司聯合江蘇中車電機有限公司、內蒙古巨創電氣設備有限公司等單位對1.5 MW雙饋風力發電機進行技術改造，具體工作內容包括：發電機轉子結構優化設計、發電機軸承結構優化設計和其他結構設計。

　　2 改進措施

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

　　2.1 發電機轉子優化設計

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

　　2.1.1 優化發電機散熱水平

　　(1)優化發電機電磁方案，降低發電機定、轉子熱負荷，減少發電機損耗;

　　(2)優化發電機矽鋼片，降低轉子鐵耗;

　　(3)優化發電機轉子冷卻風扇，增大內風路風壓;

　　(4)增大發電機轉子軸向通風面積，減低風阻;

　　(5)優化內風路，減低發電機內部風路紊流;

　　(6)優化發電機風阻特性，提高發電機散熱水平。

　　2.1.2 優化發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，提高發電機轉子結構可靠性;

　　(2)通過通風結構設計，減低發電機轉子溫升，兼以提升發電機絕緣可靠性。

　　2.1.3 優化轉子絕緣可靠性

　　(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 發電機軸承結構優化設計

　　雙饋風電機組控制機理決定了發電機轉子變頻控制。該控制機理必然使得發電機轉軸上產生高頻軸電壓，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，往往會造成發電機的磁路不對稱。發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，雙饋風力發電機軸電壓抑制不當，將導致發電機軸承批量發生電蝕故障。結合雙饋風力發電機組工作原理，在對1.5 MW雙饋風力發電機進行優化設計時，重點關注軸電壓的釋放，以提高發電機軸承抗軸電壓能力;優化發電機軸承潤滑結構，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 提高發電機軸承抗軸電壓能力

　　(1)進行發電機軸承選型設計。計算得到發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電機轉軸對地絕緣性能，確保發電機抗軸承電蝕能力[7]。優化后，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，釋放發電機轉軸上電壓，避免軸電壓對軸承的影響。

　　2.2.2 優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)優化軸承裝配結構。增加傳動端軸承冷卻風扇，減低發電機軸承溫升;優化發電機轉子通風結構，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、永發風電場1.5 MW雙饋風力發電機進行解體分析，發現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)優化滑環系統和滑環室結構。增加每相發電機碳刷數量，提高滑環室內風量，減低滑環電密過大引起的打火故障及碳粉堆積引起的滑環相間短接擊穿故障。

　　(2)將N端絕緣端蓋與滑環座分離[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，確保軸承溫度監控有效。

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

　　(5)檢查發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技術，對其定子絕緣使用壽命進行評估，修理中對發電機定子繞組進行補浸器處理，提升發電機定子繞組對地絕緣性能。

　　(6)清理發電機機座水道殘留物，提升發電機機座散熱水平。

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

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

　　(9)三防設計。維修后發電機主要用于內陸，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：環氧富鋅底漆，干膜厚度50 μm;

　?、?中間漆：厚漿環氧漆，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。