1.5,MW双馈风力发电机技术改造研究

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摘   要： 在现场SL1500机组运行中，部分1.5 MW双馈风力发电机多次出现轴承电蚀、发电机转子绕组对地击穿等故障。通过型式试验、解体测绘，对原型发电机设计缺陷进行分析，提出技术改造方案：对于发电机转子，采用优化散热水平、结构设计，提高绝缘可靠性方面的改造;对于发电机轴承，提高抗轴电压能力，优化润滑和装配结构;对于其他缺陷，进行针对性的设计改进。在CNAS认证的型式试验站下进行了评测，结果：相关指标满足国家标准要求，表明发电机轴承故障和转子故障从根源上得以解决。改造方法值得同行参考借鉴。

关键词： 双馈风力发电机;转子绝缘;轴承电蚀;型式试验;CNAS

中图分类号：TM614 文献标识码：B      文章编号：2095-8412 （2019） 04-001-06

工业技术创新 URL： http： //    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.04.001

引言

2006年以来，我国风电行业取得快速发展。风电机组主要装机类型有直驱永磁型和双馈型。在风电行业快速发展的同时，这些类型的风电机组在运行期间也暴露出一些质量问题，如叶片断裂、齿轮箱断齿、发电机转子绝缘烧损等[1]。

发电机是风电机组的核心部件，其故障的解决尤为关键。近几年来，以华锐SL1500机组（双馈型）的发电机为典型，很多发动机出现了轴承电蚀、发电机转子绕组对地击穿等故障[2]。针对此，国内风电技术研究者提出了更换绝缘轴承等一系列技术措施[3]，但均未系统性地解决故障问题[4]。

国华河北分公司佳鑫、永发风电场（以下简称“国华佳鑫、永发风电场”）自2011年以来投运华锐SL1500机组，其采用1.5 MW天元双馈变速恒频发电系统。为了解决风电机组的故障问题，提高风电机组的运行稳定性及发电效率，降低风电运行成本，本文从设计角度出发，以国华佳鑫、永发风电场为研究对象，对华锐SL1500系列机组发电机存在的问题进行分析，提出具体的解决方案。在方案设计完成后，通过测试验证这些方案的有效性。最后，将通过测试并验证可行的解决方案进行推广，通过改造前后风电场运行数据的对比，验证方案的可操作性。

1  原型发电机分析与改造设想

国华佳鑫、永发风电场华锐SL1500机组的1.5 MW天元双馈风力发电机（以下简称“1.5 MW双馈风力发电机”）结构示意图如图1所示。该机型发电机自2011年运行至今，发电机轴承故障较多，其中2014年转子绕组对地绝缘击穿故障次数占比超过10%。通过型式试验、解体测绘对其设计缺陷进行分析，提出改造设想。

1.1  原型机型式试验

国华河北分公司1.5 MW双馈风力发电机转子绕组温升高（电阻法，约121.6 K），定子绕组温度为86 K。发电机转子绕组温升值高出H级绝缘F级考核标准。

1.2  原型机解体测绘

结合国华佳鑫、永发风电场1.5 MW双馈风力发电机故障统计数据，经解体测绘得知：

（1）在采用的绝缘轴承结构中，前后绝缘轴承外圈未得以有效固定;在运行中，绝缘轴承外圈可轴向自由窜动，致使频繁出现轴承疲劳损伤等故障;

（2）轴承室结构设计不合理，轴承润滑油路长，油路堵塞故障频发;

（3）轴承PT100埋置远离轴承室，不能有效监控轴承的实际温升;

（4）转子为散嵌结构，线圈端部未有效固定，端部线圈与支架存在位移变化，可引发转子绝缘击穿故障;

（5）转子铁心长，转子通风孔数量及通风直径小，冷却风扇侧未有效优化风路结构，转子冷却风扇处存在风路自循环缺陷;

（6）定子为散嵌结构，线圈两端端部未进行有效固定，定子绝缘击穿风险系数高，PT100埋置在定子线圈表面位置，不利于监控定子温升状况。

1.3  原型机存在的设计缺陷分析

（1）发电机转子结构设计不合理。高速旋转转子采用散嵌绕组结构，且端部固定不牢。散嵌绕组在高速旋转下端部易产生位移变化，导致发电机转子不平衡量大，发电机运行时振动异常，线圈端部绝缘出现撕裂现象，引发发电机转子绝缘击穿故障。

（2）发电机转子通风结构设计不合理。发电机转子通风道风阻大，内风路离心风扇提供的风压不够，导致内风路风速小，影响发电机通风散热，导致发电机转子温升高（根据章节1.1，转子绕组温升约121.6 K）。发电机绕组温升高将缩短发电机绝缘使用寿命，从而加剧转子绝缘故障。

（3）发电机轴承润滑结构不合理。轴承润滑结构紧凑，润滑油路阻力大，致使润滑不畅，影响发电机轴承散热。发电机转子温升高，必然加剧提升发电机轴承温升，从而引发发电机轴承故障。

（4）发电机滑环系统设计不合理。国华永发风电场1.5 MW双馈风力发电机采用每相2个相碳刷滑环结构。发电机在额定运行时，相碳刷承受的电密较大，相碳刷对滑环打火放电，导致发电机滑环系统烧损。

（5）发电机不平衡量大。转子动平衡是在风扇安装前完成的，风扇安装后无平衡块安装位，无法保证不平衡量满足要求。

（6）发电机内风扇结构可靠性差。风扇的外形呈锥形，这将导致连接铆钉在风扇旋转时要承受较大的拉力而破损。

1.4  改造设想

通过章节1.1～1.3的分析，国华河北分公司联合江苏中车电机有限公司、内蒙古巨创电气设备有限公司等单位对1.5 MW雙馈风力发电机进行技术改造，具体工作内容包括：发电机转子结构优化设计、发电机轴承结构优化设计和其他结构设计。

2  改进措施

为解决佳鑫、永发风电场1.5 MW双馈风力发电机转子绝缘击穿、轴承电蚀及疲劳损伤等故障，通过认真分析，联合江苏中车电机有限公司、内蒙古巨创电气设备有限公司等单位，从发电机结构设计、制造工艺等多角度进行优化设计，保留原型机可用部分，最大限度优化发电机性能，从根源上解决原型机常见故障。

2.1  发电机转子优化设计

重新设计发电机转子结构，将散嵌绕组结构改为成型绕组结构，在提高发电机结构可靠性的同时，提升转子散热水平，防止发电机转子高温引起转子绝缘材料性能和使用寿命下降，最终起到提升发电机绝缘可靠性的目的[5]。主要从如下几方面进行优化设计。

2.1.1  优化发电机散热水平

（1）优化发电机电磁方案，降低发电机定、转子热负荷，减少发电机损耗;

（2）优化发电机矽钢片，降低转子铁耗;

（3）优化发电机转子冷却风扇，增大内风路风压;

（4）增大发电机转子轴向通风面积，减低风阻;

（5）优化内风路，减低发电机内部风路紊流;

（6）优化发电机风阻特性，提高发电机散热水平。

2.1.2  优化发电机转子结构的可靠性

（1）转子采用开口槽结构设计，采用成型绕组线圈，端部进行无纬带绑扎，提高发电机转子结构可靠性;

（2）通过通风结构设计，减低发电机转子温升，兼以提升发电机绝缘可靠性。

2.1.3  优化转子绝缘可靠性

（1）转子线圈采用H级绝缘结构;

（2）导线采用优质紫铜带，每匝外包有耐电晕聚酰亚胺薄膜补强的少胶云母带;

（3）选用先进的绝缘结构、耐电晕材料，引进真空压力浸漆、旋转烘培技术，确保转子绕组耐变频器过电压的能力。

2.2  发电机轴承结构优化设计

双馈风电机组控制机理决定了发电机转子变频控制。该控制机理必然使得发电机转轴上产生高频轴电压，而轴电压本质上是共模电压的一部分，对双馈电机危害巨大[6]。发电机定子铁芯组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀等，往往会造成发电机的磁路不对称。发电机主轴在这种不对称的磁场中旋转，会形成轴电流、轴电压。由于发电机转子和轴承、大地所构成的回路阻抗很小，轴电流密度一旦超过0.2 A/cm2，就可能形成很大的轴电流，对轴承造成击穿放电，乃至电击侵蚀。因此，双馈风力发电机轴电压抑制不当，将导致发电机轴承批量发生电蚀故障。结合双馈风力发电机组工作原理，在对1.5 MW双馈风力发电机进行优化设计时，重点关注轴电压的释放，以提高发电机轴承抗轴电压能力;优化发电机轴承润滑结构，避免轴承运行时因润滑不当引起高温，以减低轴承疲劳损伤。

2.2.1  提高发电机轴承抗轴电压能力

（1）进行发电机轴承选型设计。计算得到发电机轴承使用寿命为不低于20年;轴承为非绝缘轴承（FAG/SKF），采用进口件轴承，确保轴承质量可靠性。

（2）将绝缘轴承结构改为绝缘端盖结构（如图2所示）。绝缘体将端盖与轴承座隔离，阻断轴电流的途径。采用绝缘端盖结构可提升发电机转轴对地绝缘性能，确保发电机抗轴承电蚀能力[7]。优化后，绝缘端盖耐压2 000 V（DC），对地绝缘电阻≥1 MΩ。

（3）传动端增加接地装置。通过转轴有效接地，释放发电机转轴上电压，避免轴电压对轴承的影响。

2.2.2  优化轴承润滑和轴承装配结构

（1）重新设计轴承润滑结构。减低轴承润滑通道阻力，确保轴承有效润滑，防止轴承润滑不畅引起的轴承高温疲劳故障。

（2）优化轴承装配结构。增加传动端轴承冷却风扇，减低发电机轴承温升;优化发电机转子通风结构，减低转子温升对轴承的热传导。综合减低轴承温度，有效提升轴承使用寿命。

2.3  其他结构设计

2016年以来，通过对国华佳鑫、永发风电场1.5 MW双馈风力发电机进行解体分析，发现其原型机还存在其他缺陷。为彻底解决有关问题，进行了如下設计改进。

（1）优化滑环系统和滑环室结构。增加每相发电机碳刷数量，提高滑环室内风量，减低滑环电密过大引起的打火故障及碳粉堆积引起的滑环相间短接击穿故障。

（2）将N端绝缘端盖与滑环座分离[5]，有效防止N端绝缘端盖积碳短接引起的轴承电蚀故障。

（3）参照GB/T 755要求，重新设计轴承温度传感器安装位置，确保轴承温度监控有效。

（4）在确保发电机效率和电能品质的前提下，增大发电机定、转子气息，减低发电机转子挠度，防止转子挠度大引起的发电机振动异常。

（5）检查发电机定子绕组绝缘性能，结合江苏中车电机有限公司绝缘研发技术，对其定子绝缘使用寿命进行评估，修理中对发电机定子绕组进行补浸器处理，提升发电机定子绕组对地绝缘性能。

（6）清理发电机机座水道残留物，提升发电机机座散热水平。

（7）检查发电机引出电缆线，对其薄弱部分进行更换处理，确保维修后发电机绝缘可靠性。

（8）检查发电机集中润滑器、转速编码器和滑环系统，对其缺陷部分进行维护维修，提升发电机整体质量性能。

（9）三防设计。维修后发电机主要用于内陆，因此其防护条件遵循ISO12944中，C3的防护条件，采用如下的外表面涂敷结构：

① 底漆：环氧富锌底漆，干膜厚度50 μm;

② 中间漆：厚浆环氧漆，干膜厚度100 μm;

③ 面漆：聚氨脂面漆，干膜厚度50 μm。

干膜总厚度不小于200 μm。

3  维修后性能计算

3.1  发电机电磁方案计算

原型机发电机转子槽型为梨形槽，线圈为短距散嵌绕组结构。相较而言，江苏中车电机有限公司1.65 MW双馈风力发电机转子结构都为开口槽，双层短距硬绕组结构，可靠性更高，且工艺成熟，运行经验丰富，故在维修方案中选用之[8]。节距Y按（τ为极距）选择，最大限度地削弱磁势谐波中最强的5次和7次谐波。电磁方案计算结果如表1所示。

通过减低转子热负荷、定子热负荷，减低发电机损耗，确保维修后发电机定、转子温升得以控制。

3.2  发电机通风结构计算

国华佳鑫风电场1.5 MW双馈风力发电机的内风阻主要由机座风道风阻和转子通风孔风阻构成双馈风力发电机。维修后发电机剖面结构示意图如图3所示。

维修后对发电机转子结构进行优化设计，结合发电机通风计算，优化后发电机转子通风得到有效的提升。表2所示是优化前后风阻计算数据。

优化转子结构后，1.5 MW双馈风力发电机风阻明显下降，很大程度上提高了发电机散热水平。

3.3  发电机温升计算

结合国华佳鑫、永发风电场改进后的1.5 MW双馈发电机型式试验数据，为了确保技术改造后发电机转子温升满足设计要求，对发电机进行结构设计时，结合电磁计算和通风结构设计，对发电机定、转子进行温度场计算，得到如表3所示的温升数据。

4 技术改造后发电机性能评测

技术改造后国华永发、佳鑫风电场1.5 MW双馈发电机型式试验评测数据如表4所示。技术改造后的发电机在通过CNAS认定的型式試验站下完成，各项指标均满足发电机国家标准要求。

5  结束语

通过对佳鑫、永发风电场SL1500机型发电机的问题处理，优化了轴承装配结构，减低了轴承电蚀故障;提高了发电机绝缘和结构可靠性，减低了转子绝缘击穿故障;优化了发电机滑环系统结构，减低了滑环系统烧损故障。最终，提高了机组运行的可靠性和稳定性。

技术改造后1.5 MW双馈风力发电机与变流器匹配完好，发电机故障停机时间明显下降，有效保证了风机的年发电量。

参考文献

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