1.5,MW双馈风力发电机技术改造研究

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

[1] 曾胜. 双馈式风力发电机运行机理及发展前景[J]. 工业技术创新， 2016， 3（6）： 1101-1103.

[2] 钟绍辉， 解京晶. 双馈风力发电机滑环、碳刷故障分析及解决措施探讨[J]. 风能， 2018（8）： 100-102.

[3] 马宏忠， 李思源. 双馈风力发电机轴承故障诊断研究现状与发展[J]. 电机与控制应用， 2018， 45（9）： 117-122.

[4] 周小艳， 曹国文， 周文才. 双馈风力发电机的绝缘端盖结构改造[J]. 电机技术， 2014（5）： 57-58.

[3] 郭贺， 王君艳. 双馈风力发电场的建模及低电压穿越能力探究[J]. 发电设备， 2016， 30（6）： 389-394.

[4] 杨璐璐.低压穿越工况下双馈风力发电机早期故障诊断研究[D]. 乌鲁木齐： 新疆大学， 2018.

[5] 谢生清. 高海拔风电机组发电机设计要求[J]. 工业技术创新， 2016， 3（4）： 711-714.

[6] 张立鹏， 李忠徽. 双馈风力发电机绕组匝间短路故障诊断综述[J]. 河北电力技术， 2017（5）： 32-34.

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