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双馈型变速恒频风力发电机轴承腐蚀解决方案

2020-07-31 浏览次数:

近年来我国风电得到迅速发展。随着风电机组容量的不断增加,变速恒风电机组已成为目前风力发电领域的主流机型。其中,双馈型变速恒频风电机组更是由于变频器容量小、发电机制造简单等优势得到了广泛应用。由于风力发电机的工作环境恶劣,可能遇到各种复杂的天气状况和运行工况,轴承作为其中重要的易损部件,会出现各种故障问题,如轴承假性布氏压痕、疲劳磨损、内圈跑套、轴承电腐蚀等。

现以电腐蚀产生的原因、常规轴承电腐蚀防护措施论证轴承电腐蚀解决的最佳方案。

轴承电腐蚀原因

一、轴电流的产生

轴电流问题自电机发展以来就一直被行业所关注。因为它与轴承的实际寿命息息相关。目前行业内主要将电机的轴电流分为两类:“传统”轴电流和由变频器产生的轴电流。

传统轴电流在过去几十年已经被广泛研究。其主要是由电机内部磁通不平衡引起的,不平衡的漏磁通主要是由产品机械零部件的设计公差和装配过程引起,会在定子机壳、驱动端轴承、轴以及非驱动端轴承这个回路内感应电压及电流。随着电机尺寸的增大,磁路内的漏磁通会增大,感应电压(可以通过油和转子轴两端的电压大小进行评判,通常轴电压的安全值小于0.5V)也会随之升高。

由IGBT变频器驱动的电机会产生新的轴电流现象,这些现象不能用之前“传统”的轴电流理论解释。该电流是变频器共模电压与电机内部复杂寄生电容共同作用的结果,其大小与变频器的直流线线电压和载波频率息息相关。但迄今为止轴电流与轴承寿命之间尚不能通过清晰的关系进行关联,这就是目前无法指定这类轴电流安全值的原因。然而由PWM变频器驱动而产生的轴电流同样会像第一类“传统”轴电流一样加速轴承的老化和损坏,因此在一定情况下会减损轴承寿命。

二、轴承电腐蚀失效过种程

电机正常运转情况下,轴承内、外圈滚道 与滚动体间存在的润滑油膜会起到一定的绝缘作用。对于较低的轴电压,这层润滑油膜仍能发挥绝缘性能,不会产生轴电流。但当轴电压积累到一定数值并大于轴承油脂的击穿电压时,它们就会在轴承中产生电弧,沿着与电机轴承之间阻抗最小的路径放电。特别是在轴承内部滚道与滚动体形成金属性接触瞬间,轴电流可达上百安培,导致轴承滚道产生小的麻点(凹坑)。当发生此情况进,由于湿度足够高轴承钢会熔化,轴承润滑脂也会被烧毁。由于极为频繁的放电,不久整个轴承滚道布满无数凹坑会造成过多振动和噪音。而当润滑油中掺入熔化的金属微粒后,油膜阻值降低又会加速这个过程,轴电流的电解作用使润滑油炭化。这两个过程都会造成油润滑性能变差,使轴承温度升高,最终造成轴承电腐蚀失效。

常规的轴电腐蚀防护措施

目前发电机制造企业针对轴承电腐蚀问题主要采取以下两种防护措施:

一、接地碳刷

在变频器共模电压与电机内部寄生电容的工同作用下,转子轴上会感应出高电势,通过在非驱动端加装接地碳刷,轴电流绕过轴承泄掉;二是采用绝缘轴承,阻断轴电流通过轴承的路径。其中采用绝缘轴承从根据上消除轴电流是一劳永逸的方法。

绝缘轴承最主要的一个特征就是在轴承的外表面有一层很薄的氧化铝涂层,它担负着电绝缘功能,能抵抗超过500V电压下产生的电跳火,更厚的涂层能抵抗超过1000V的高压放电,因而可以有效避免主轴和轴承上因感应电流导致跳火而导致轴承表面腐蚀、金属表面形成缩孔以及轴承滚动轨道上形成凹槽等缺陷。

绝缘轴承采用特种喷涂工艺,在轴承的外表面喷镀优质覆膜,覆膜与基体结合力强,绝缘性能好,可避免感应电流对轴承的电蚀作用,防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏,提高轴承的使用寿命。

该工艺不断被改进,绝缘轴承中,在外圈或内圈表面有一层100μm厚的涂层,可承受至少1000VDC的电压。特殊的喷涂工艺可形成一层厚度均匀、粘附力极强的涂层,再经进一步处理,使其能不受湿气和湿度的影响。

绝缘轴承可避免电腐蚀所造成的损害,因此与普通轴承相比应用在电机中可保障运行更可靠。而比起其他绝缘方法,如轴或外壳绝缘等,更加符合成本效益和可靠。