風力發(fā)電機組在風電場運行過程中，常因發(fā)電機軸承溫度超溫而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。當該故障發(fā)生時，風力發(fā)電機往往采取降功率運行或者停機等措施進行處置，這不僅降低了風電機組風能利用率，同時也增加了損失電量，導(dǎo)致風場發(fā)電量效益下降。為切實減少或消除該故障現(xiàn)象發(fā)生，針對軸承超溫現(xiàn)象，從原理上對引起發(fā)電機軸承溫升的原因進行深層分析，有效解決發(fā)電機軸承超溫問題。

　　2 軸承配置

　　2MW機組發(fā)電機配置2MW空水冷電機，型號為FDYS2.0-4KS。該型電機軸承結(jié)構(gòu)為三軸承結(jié)構(gòu)，即前軸承為一個圓柱滾子軸承和一個深溝球軸承，后軸承為一個圓柱滾子軸承。徑向載荷主要由圓柱滾子軸承承擔，軸向載荷由球軸承承擔，后軸承軸向浮動。該電機兩端均采用絕緣端蓋加深溝球軸承支撐，分別裝配于機座兩端端蓋的軸承室內(nèi)。傳動端為定位軸承，定位軸承的尺寸設(shè)計，能恰好吸收電機自身產(chǎn)生的徑向力和軸向力，設(shè)計時沒有考慮吸收任何外部導(dǎo)入的附加的軸向載荷。非傳動端為游動軸承，裝配預(yù)緊力彈簧。

　　前、后兩軸承內(nèi)蓋均裝配有潤滑脂，型號：KluberplexBEM 41-141；注油嘴用于加注油脂，前后端軸承蓋中都裝有甩油環(huán)，能將多余的油脂從軸承蓋中甩出，軸承蓋底部開有泄油口和集油器。

　　3 發(fā)電機冷卻和通風

　　發(fā)電機采用空/空冷卻方式，電機內(nèi)部通過空冷器頂部風機作用形成內(nèi)循環(huán)風路，把熱量傳到電機背部散熱器內(nèi)。散熱器上的軸流風機將設(shè)備周圍的空氣吸入使之通過散熱器管路形成外部風路，把熱量帶走。

　　空冷器與滑環(huán)室及N端端蓋中的軸承冷卻器相聯(lián)，使部分冷卻風通過空冷器管道進入滑環(huán)室冷卻滑環(huán)，并經(jīng)過濾器將碳粉過濾后吹出。

　　通過發(fā)電機內(nèi)部的冷卻空氣與安裝位置無關(guān)，冷卻空氣必須嚴格限制腐蝕性氣體和水蒸汽的含量（最大相對濕度為80％，最大粉塵含量為1mg/m3，最大SO2含量為1.5mg/m3）。

　　4 發(fā)電機軸承超溫原因分析

　　針對發(fā)電機軸承超溫現(xiàn)象，主要有以下幾方面原因：

　　（1）潤滑不良

　　發(fā)電機軸承潤滑不良、缺油或多油以及可能存在的內(nèi)部油路遺留的廢油脂未及時清理，造成潤滑狀態(tài)不良引起的軸承溫度升高。

　　圖1：發(fā)電機BS端軸承滾柱內(nèi)廢脂較多

　　（2）異常振動

　　發(fā)電機軸承若出現(xiàn)早中期磨損，軸承振動相對增加，運行過程中狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致軸承潤滑油膜破裂造成軸承溫度上升，但新油膜形成后溫度又回落達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

　　（3）電蝕

　　發(fā)電機軸承絕緣降低時，導(dǎo)致其在運行過程中軸承滾道與滾子接觸面放電使油膜遭到破壞，形成火花放電，造成軸承內(nèi)圈、外圈、滾動體之間的直接接觸，使得接觸的表面出現(xiàn)局部熔融現(xiàn)象，對軸承的溝道造成損傷，引起軸承電腐蝕，從而引起軸承早期失效。軸承出現(xiàn)電蝕后，在運行過程中，會造成潤滑油膜的損傷，從而在一定程度上造成相對運動摩擦的加劇，產(chǎn)生較多的熱量，從而加劇軸承的運行溫度。

　　（4）熱穩(wěn)定

　　發(fā)電機負載運行時，其產(chǎn)生的損耗在電機內(nèi)部產(chǎn)生一定熱量，通過冷卻系統(tǒng)進行熱量交換，以達到穩(wěn)定的溫度熱平衡狀態(tài)。在此過程中，由于發(fā)電機繞組溫度直接影響內(nèi)部循環(huán)空氣溫度，而軸承運行環(huán)境溫度及對流散熱主要受此溫度的影響，因此在穩(wěn)定狀態(tài)之前，軸承運行溫度受此內(nèi)風路運行空氣溫度的影響。對于前軸承，其主要散熱途徑為軸承與外側(cè)空氣的傳導(dǎo)散熱和內(nèi)側(cè)空氣的對流換熱；對于后軸承，其主要散熱途徑為軸承與外側(cè)空氣（即滑環(huán)室內(nèi)空氣）和內(nèi)側(cè)空氣的對流換熱。發(fā)電機較長時間運行在滿發(fā)容性工況時，在一定程度上會使得內(nèi)風路循環(huán)溫度偏高，影響軸承的對流散熱，尤其是在夏季，機艙環(huán)境溫度相對較高，軸承座及外表面散熱相對緩慢，從而造成軸承溫度偏高，出現(xiàn)高溫夏季軸承報警情況。

　　（5）散熱不良

　　發(fā)電機外軸承蓋中的廢油脂堆積，造成軸承散熱不良。

　　（6）軸承磨損

　　軸承運行情況與多種因素有關(guān)，運行轉(zhuǎn)速、載荷變化、潤滑情況等，軸承本身為旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)元件，運行過程中，滾道和滾動體運行會存在一定程度磨損。為減小磨損，保證軸承壽命，軸承必須采用相應(yīng)的潤滑措施，避免滾動體和滾道直接接觸，產(chǎn)生滑動磨損。電機在靜止狀態(tài)下，油脂受轉(zhuǎn)軸重量長期擠壓，油膜變得很薄，甚至消失，電機在啟動過程中，由于滾動體和滾道相對運行，滾動體在旋轉(zhuǎn)過程，油膜逐漸形成到穩(wěn)定，在這個過程中，軸承會出現(xiàn)一些輕微的磨損，這種磨損是軸承運行中允許的工況，也是軸承運行存在壽命限制的原因。

 

　　圖2：發(fā)電機內(nèi)圈磨損痕跡

　　圖3：BS柱軸承滾柱輕微磨損

　　（7）軸承電腐蝕

　　軸承電腐蝕主要是由于軸電壓擊穿油膜，在滾動體和滾道面形成微小的燒蝕痕跡，基于本電機軸承組結(jié)構(gòu)和軸電流產(chǎn)生的機理，分析原因如下：

　　軸電壓一般有兩種機理產(chǎn)生，一種是定轉(zhuǎn)子的同心度偏差造成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中與磁場感應(yīng)出軸電壓，該部分軸電壓可以通過增加軸承組絕緣來有效的避免軸電流的產(chǎn)生；另一種是由于轉(zhuǎn)子變流器的高頻諧波在定子轉(zhuǎn)子繞組與鐵心中形成電壓，該部分軸電壓頻率較高，增加軸絕緣不能有效削弱軸電流，現(xiàn)常用的辦法就是以等電位的方式抑制軸電流的大小；軸電壓本身對軸承沒有損害，但形成軸電流且通過軸承滾動體和滾道面后會對軸承造成損傷，軸電壓本身只能削弱，不能完全消除，該電機主要采用增強絕緣和等電位的方法來抑制軸電流，從目前風電行業(yè)采取的軸電流防護措施看，是一種完善的抑制軸電流的措施。

 

 

圖4：發(fā)電機BS柱軸承外圈滾道局部（約占整圓周1/3）電腐蝕
 

　　5 排查及治理方法

　　結(jié)合上述引起軸承運行溫度偏高的影響因素分析，目前業(yè)內(nèi)判斷發(fā)電機軸承超溫故障依據(jù)主要有三點；一是CMS在線振動報警系統(tǒng)發(fā)電機分析報告，二是查看發(fā)電機軸承運行溫度，三是聽軸承運行聲音做輔助。特制定以下排查治理方法：

　　（1）加強發(fā)電機潤滑系統(tǒng)維護

　　a）監(jiān)測發(fā)電機軸承運行溫度，定期維護中，重點檢查發(fā)電機軸承的潤滑情況，排查自動潤滑系統(tǒng)的工作情況，注油泵是否工作正常，油路有無堵塞，前后出脂量是否正常；

　　b）針對短時加脂策略的影響因素，結(jié)合電機在風場運行的實際情況，選取幾臺夏季頻繁超溫機組，對發(fā)電機前、后端軸承進行手動加脂200ml，然后將自動潤滑系統(tǒng)停止工作2個月，監(jiān)測軸承的運行狀態(tài)。

　　（2）加強發(fā)電機軸承振動監(jiān)測檢查

　　針對發(fā)電機出現(xiàn)的振動情況，相關(guān)檢查項如下：

　　a）采用便攜式振動測試儀，檢測發(fā)電機軸承空載額定運行狀態(tài)下，驅(qū)動端和非驅(qū)動端軸承振動速度，檢測位置為水平、豎直和軸向。

　　b）檢查廢油脂收集情況及廢油脂顏色狀態(tài),排查廢脂中金屬顆粒狀態(tài)，間接評定軸承有無磨損情況。

　　c）檢查在線振動傳感器安裝有無松動情況。CMS監(jiān)測可以預(yù)警電機軸承的運行情況，并通過不同級別指導(dǎo)維護人員采取不同等級的措施，加強關(guān)注軸承的運行溫度和軸承潤滑系統(tǒng)的運行情況，提高電機的運行質(zhì)量。

　　d）空轉(zhuǎn)軸承聲音檢查：在發(fā)電機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分別在800rpm或接近額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下進行軸承聲音評定，關(guān)注正常停機狀態(tài)下，隨電機轉(zhuǎn)速降低軸承的聲音狀態(tài)。正常情況下，圓柱滾子軸承的聲音是一種規(guī)則或不規(guī)則的嘯叫聲，該聲音是由軸承內(nèi)部的無規(guī)律擾動造成的，主要原因為徑向軸承在工作中存在非負荷區(qū)影響，在該區(qū)域滾動體的非受控運動及滾動體由非負荷區(qū)進入負荷區(qū)時的運動狀態(tài)的變化導(dǎo)致的聲音，該種聲音屬正常運行聲音。

　　e）建議后續(xù)評定軸承運行聲音可采用聽診器進行評定，其類別如下：

　　正常聲音：沒有忽高忽低的金屬連續(xù)性聲音；

　　滾柱落下的聲音：該聲音在低轉(zhuǎn)速或接近停機時，由于旋轉(zhuǎn)位于靠近頂部非負荷圈處的滾柱靠著自身重力比仍在旋轉(zhuǎn)的保持架早落下的緣故產(chǎn)生的，該“殼托”樣聲音對運轉(zhuǎn)無影響。

　　“嘎吱嘎吱”聲：該聲音多是軸承內(nèi)部發(fā)出的聲音，與負荷無關(guān)，它是由于滾柱在非負荷圈內(nèi)不規(guī)則運行所產(chǎn)生，并與軸承的潤滑狀態(tài)有關(guān)，長期不運行的電機在重新開始運轉(zhuǎn)的階段或冬季時較易出現(xiàn)，此聲音多在添加潤滑脂后就會消失。出現(xiàn)該聲音且未出現(xiàn)異常的振動和溫度時，軸承運轉(zhuǎn)正常。

　　“哐當哐當”聲：該聲音多是軸承嚴重磨損或存在壓痕時出現(xiàn)的聲響，此時多伴隨著軸承振動的異常現(xiàn)象，建議更換軸承。

　　為避免軸承電蝕問題，發(fā)電機通過采用端蓋絕緣結(jié)構(gòu)，將軸承電流通路隔斷；采用雙端軸接地碳刷方式，將轉(zhuǎn)軸上的電流經(jīng)接地裝置進行導(dǎo)流，避免對軸承影響。

　　a）軸承座絕緣檢測：采用搖表或絕緣表檢測軸承座絕緣性能。

　　b）軸電壓檢測：分別檢測AS/BS端軸對端蓋的電壓，測量時另一側(cè)接地碳刷保持接地狀態(tài)。

　　c）接地電流定量測量：電機在負載狀態(tài)下，采用電流鉗對接地碳刷與端蓋之間的鏈接線進行電流測定。

　　（4）定期分析發(fā)電機運行數(shù)據(jù)定

　　針對出現(xiàn)超溫情況的典型機組發(fā)電機，對其超溫時間段負載滿發(fā)狀態(tài)的運行溫度數(shù)據(jù)進行收集，分析其在散熱途徑上的熱穩(wěn)定因素影響，其主要涉及到的數(shù)據(jù)有：風速、轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率、繞組溫度、前軸承溫度、后軸承溫度、內(nèi)風路進風、內(nèi)風路出風、機艙溫度、環(huán)境溫度、冷卻水溫、滑環(huán)室溫度，所有數(shù)據(jù)按照間隔2分鐘收集。

　　（5）關(guān)注軸承散熱

　　機組季度巡檢時排查發(fā)電機前、后軸承外軸承蓋內(nèi)的廢油脂堆積情況，若廢油脂堆積較多，清理后可解決軸承超溫問題。

　　6 結(jié)束語

　　發(fā)電機軸承溫度過高不僅會造成系統(tǒng)故障，還可能降低使用壽命，燒壞軸承。因此，做好日常維護工作十分必要。在上文中，對風電機組發(fā)電機軸承超溫故障進行分析并提出維護措施，在未來工作當中，還需要進一步加大該方面研究分析力度，不斷提高風力發(fā)電機組設(shè)備可靠性。

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　　作者：國華（哈密）新能源有限公司 羅振斌 劉偉軍 李陽