CN116007943A - 一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及*** - Google Patents
一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本申请提出一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及***，所述方法包括：通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。本申请提出的技术方案，可较为便利的实现风力发电机轴承轴电流腐蚀故障的诊断，便于风电场调整生产运行计划，及时对机组故障隐患进行处理，保障风电机组安全运行。
Description
技术领域
本申请涉及风力发电设备故障诊断领域，尤其涉及一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及***。
背景技术
双馈异步风力发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)是目前风力发电***中的主流机型之一，具有变流器容量小、体积小、成本低、效率高等优点，受到众多风电设备制造商、运营商的青睐。
风力发电机安装于高空，运行环境复杂，故障多发，其维护和检修复杂且费用高昂。轴承故障在风力发电机故障中占有很大比例。而引起轴承损坏的原因包括润滑不良、轴电流腐蚀、负载振荡等。大部分轴承失效的原因可以通过一定的维护手段和状态监控操作得以避免，而轴电流引起的轴承损害却不能采取类似方法来消除。轴电流也称为轴承电腐蚀，当轴承内、外滚道之间的轴承电压超过其润滑油膜阈值电压而发生击穿时，会产生放电电流。瞬间放电释放的热量会造成润滑脂成分变性、恶化并使轴承表面产生坑蚀，逐渐引起轴承失效。
随着双馈异步风力发电机的广泛应用，其轴电流问题也不断出现。双馈异步风力发电机***中变流器开关供电所产生的共模电压是轴电流问题的根源，而发电机内部存在的耦合电容为共模电压的传导提供了低阻抗通路。双馈异步风力发电机运行时转子侧接变流器，会在转子绕组和地之间产生高频脉冲共模电压。双馈异步风力发电机转子为绕线式转子结构，发电机内部存在定子绕组、转子绕组、定子铁心和转子铁心四个导体，各导体间都存在电容耦合。转子侧共模电压经过电容耦合产生轴电压。另一方面定子绕组通过变压器接网侧变流器时也会在定子绕组上产生共模电压。定子侧共模电压也会在电容耦合作用下产生轴电压。
现有技术中主要通过CMS(Content Management System)振动监测***对运行中的双馈风力发电机轴承进行状态分析，其测量位置依照VID 3834《风力发电机及其组件机械振动的测量和评估》的要求位于两处轴承的壳体之上，分为轴向、径向、垂直三个方向分别测取10～5000Hz的振动加速度、10～1000Hz的加速度有效值，通过对数据进行频谱、包络分析，提取故障特征频率，对轴承状态进行评估。当振动加速度、速度有效值超过VID 3834标准规定的限值，结合相应型号轴承所特有的故障特征频率与所提取的故障特征频率比对结果，可对轴承故障进行初步分析。但是无法说明该部件产生故障的原因。
目前，主要通过对双馈异步风力发电机轴承进行拆解进行轴承失效分析来判断轴承故障产生原因。包括损伤痕迹对照、电子显微镜观察等手段，费用高、周期长，不利于风电场及时调整生产运行计划，给风电机组的安全运行带来隐患。
发明内容
本申请提供一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及***，以至少解决在判断轴承故障产生原因时费用高、周期长，不利于风电场及时调整生产运行计划，同时给风电机组的安全运行带来隐患的技术问题。
本申请第一方面实施例提出一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法，所述方法包括：
通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；
当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；
根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；
基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。
优选的，所述方法还包括：当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，所述CMS振动监测***发出预警。
优选的，所述高内阻毫伏表的测量正极通过测量碳刷连接至所述发电机的驱动端转轴表面，所述高内阻毫伏表的测量负极通过接地线缆接地。
进一步的，所述测量碳刷通过安装支架安装于所述发电机的轴承外盖上；
其中，测量碳刷的个数为N，N为大于等于1的整数。
优选的，所述涡流电导率仪在所述发电机停止状态下测量发电机的转轴电导率；
所述高内阻毫伏表在所述发电机并网状态下测量发电机的轴电压。
进一步的，所述发电机转轴的轴电流密度的计算式如下：
J＝Uσ/l
式中，J为发电机转轴的轴电流密度，U为发电机的轴电压，σ为发电机的转轴电导率。
优选的，所述基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障，包括：
当所述发电机转轴的轴电流密度大于预设的轴电流密度阈值时，判定所述发电机发生轴承电腐蚀故障，否则，所述发电机未发生轴承电腐蚀故障。
本申请第二方面实施例提出一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测***，所述***包括：
监测模块，用于通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；
测量模块，用于当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；
确定模块，用于根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；
判断模块，用于基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。
优选的，所述***还包括：
预警模块，用于当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，所述CMS振动监测***发出预警。
优选的，所述高内阻毫伏表的测量正极通过测量碳刷连接至所述发电机的驱动端转轴表面，所述高内阻毫伏表的测量负极通过接地线缆接地。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
本申请提出了一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及***，所述方法包括：通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。本申请提出的技术方案，可较为便利的实现风力发电机轴承轴电流腐蚀故障的诊断，便于风电场调整生产运行计划，及时对机组故障隐患进行处理，保障风电机组安全运行。
本申请附加的方面以及优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面以及优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请一个实施例提供的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法的流程图；
图2为根据本申请一个实施例提供的轴电压测量示意图；
图3为根据本申请一个实施例提供的轴电流密度测量示意图；
图4为根据本申请一个实施例提供的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法的详细流程图；
图5为根据本申请一个实施例提供的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测***的第一种结构图；
图6为根据本申请一个实施例提供的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测***的第二种结构图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
本申请提出的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及***，所述方法包括：通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。本申请提出的技术方案，可较为便利的实现风力发电机轴承轴电流腐蚀故障的诊断，便于风电场调整生产运行计划，及时对机组故障隐患进行处理，保障风电机组安全运行。
下面参考附图描述本申请实施例的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法及***。
实施例一
图1为根据本申请一个实施例提供的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤1：通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；
步骤2：当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；
在本公开实施例中，所述步骤2还包括：当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，所述CMS振动监测***发出预警。
进一步的，如图2所示，所述高内阻毫伏表的测量正极通过测量碳刷连接至所述发电机的驱动端转轴表面，所述高内阻毫伏表的测量负极通过接地线缆接地；
其中，所述测量碳刷通过安装支架安装于所述发电机的轴承外盖上，且测量碳刷的个数为N，N为大于等于1的整数。
在本公开实施例中，如图3所示，所述涡流电导率仪在所述发电机停止状态下测量发电机的转轴电导率；
所述高内阻毫伏表在所述发电机并网状态下测量发电机的轴电压。
需要说明的是，所述高内阻毫伏表，将毫伏表测量正极通过测量碳刷连接至发电机驱动端转轴表面，需保证测量碳刷与转轴表面充分接触，接触面积不小于85％；测量碳刷通过安装支架安装于发电机轴承外盖，为提高测量准确性，安装条件允许时可安装多个测量碳刷；毫伏表测量负极通过接地线缆接地，构成轴电压测量回路。发电机转轴的电导率通过涡流电导率仪直接测量，测量仪器及测量方法应符合GB/T 35392-2017的规定。
步骤3：根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；
在本公开实施例中，所述发电机转轴的轴电流密度的计算式如下：
J＝Uσ/l
式中，J为发电机转轴的轴电流密度，U为发电机的轴电压，σ为发电机的转轴电导率。
需要说明的是，启动风力发电机组，同时测量并记录发电机轴电压U，电流密度时常可以近似为与电场成正比，以方程表达为J＝σE；
其中，E是电场强度，J是电流密度，σ是电导率。
由欧姆定律可知电阻R＝ρL/S；其中,R是电阻,L是物体长度，S是物体的截面面积，ρ是电阻率。根据欧姆定律，电压U等于电流I乘以电阻：U＝IR，所以U＝I*ρL/S。电场与电压的关系为E＝Z*U/L，其中Z是电流方向，所以，E＝Z*ρI/S＝ρJ，电导率为电阻率的倒数，σ＝1/ρ，电流密度与电场的关系为J＝σE，而电压U＝El，所以J＝Uσ/l，其中U为测量得到的发电机轴电压，σ为测量得到的发电机转轴电导率。
步骤4：基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。
在本公开实施例中，所述步骤4包括：
当所述发电机转轴的轴电流密度大于预设的轴电流密度阈值时，判定所述发电机发生轴承电腐蚀故障，否则，所述发电机未发生轴承电腐蚀故障。
需要说明的是，由于轴承电腐蚀故障与轴承接触点的电流密度有关，也就是通过轴承的电流除以滚动体与内圈或者外圈滚道的全部接触面积，这与轴承的型号与运行工况有关。而轴承的运行工况受到载荷、工作游隙、润滑油膜的厚度等多个参数影响，很难准确计算。根据目前已掌握的实际工程经验，通过轴承的轴电流密度小于0.1A/mm2时，不会对轴承造成损伤；而当通过轴承的轴电流密度大于1A/mm2时，轴承内容就会出现明显的电势沟痕。
风力发电机轴承与转轴为过盈配合，当发电机转轴通过轴电流密度较大时，意味着发电机轴承也承受着一定的轴电流冲击。所以当发电机轴承振动超过故障报警阈值，且发电机转轴所通过的轴电流密度超过一定阈值时，可判断发电机轴承发生轴电流腐蚀故障。
为了更加清楚地说明本申请实施例的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法的实现流程，下面以一个具体的方法实施例进行详细说明，如图4所示：
步骤S1，通过CMS振动监测***对发电机轴承运行状态进行监测，当发电机轴承振动超过设定报警阈值时，CMS***发出预警；
步骤S2，当CMS***发出针对发电机轴承振动的预警后，在停机转态下使用涡流电导率仪测量发电机转轴电导率；
步骤S3，当CMS***发出针对发电机轴承振动的预警后，在发电机并网状态下测量发电机轴电压；
步骤S4，对步骤S2、S3测量所得的结果进行分析计算，得到发电机转轴轴电流密度；
步骤S5，当步骤S4计算所得到的的轴电流密度超过设定的阈值时，判定发电机轴承发生轴电流腐蚀故障，对轴承进行更换处理。
综上所述，本实施例提出的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法，对风力发电机轴承进行振动监测分析，以判断发电机轴承是否存在故障；当发电机轴承存在故障时，通过轴电压及电导率测量并计算得到发电机转轴所通过的轴电流密度；根据发电机转轴所通过的轴电流密度，判断发电机轴承是否存在轴电流腐蚀故障。由此可较为便利的实现风力发电机轴承轴电流腐蚀故障的诊断，便于风电场调整生产运行计划，及时对机组故障隐患进行处理，保障风电机组安全运行。
实施例二
图5为根据本申请一个实施例提供的一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测***的结构图，如图5所示，所述***包括：
监测模块100，用于通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；
测量模块200，用于当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；
确定模块300，用于根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；
判断模块400，用于基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。
在本公开实施例中，如图6所示，所述***还包括：
预警模块500，用于当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，所述CMS振动监测***发出预警。
进一步的，所述高内阻毫伏表的测量正极通过测量碳刷连接至所述发电机的驱动端转轴表面，所述高内阻毫伏表的测量负极通过接地线缆接地。
其中，所述测量碳刷通过安装支架安装于所述发电机的轴承外盖上；
其中，测量碳刷的个数为N，N为大于等于1的整数。
在本公开实施例中，所述涡流电导率仪在所述发电机停止状态下测量发电机的转轴电导率；
所述高内阻毫伏表在所述发电机并网状态下测量发电机的轴电压。
在本公开实施例中，所述发电机转轴的轴电流密度的计算式如下：
J＝Uσ/l
式中，J为发电机转轴的轴电流密度，U为发电机的轴电压，σ为发电机的转轴电导率。
在本公开实施例中，所述判断模块400具体用于：
当所述发电机转轴的轴电流密度大于预设的轴电流密度阈值时，判定所述发电机发生轴承电腐蚀故障，否则，所述发电机未发生轴承电腐蚀故障。
综上所述，本实施例提出的本一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测***，可较为便利的实现风力发电机轴承轴电流腐蚀故障的诊断，便于风电场调整生产运行计划，及时对机组故障隐患进行处理，保障风电机组安全运行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测方法，其特征在于，所述方法包括：
通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；
当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；
根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；
基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，所述CMS振动监测***发出预警。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高内阻毫伏表的测量正极通过测量碳刷连接至所述发电机的驱动端转轴表面，所述高内阻毫伏表的测量负极通过接地线缆接地。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测量碳刷通过安装支架安装于所述发电机的轴承外盖上；
其中，测量碳刷的个数为N，N为大于等于1的整数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡流电导率仪在所述发电机停止状态下测量发电机的转轴电导率；
所述高内阻毫伏表在所述发电机并网状态下测量发电机的轴电压。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发电机转轴的轴电流密度的计算式如下：
J＝Uσ/l
式中，J为发电机转轴的轴电流密度，U为发电机的轴电压，σ为发电机的转轴电导率。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障，包括：
当所述发电机转轴的轴电流密度大于预设的轴电流密度阈值时，判定所述发电机发生轴承电腐蚀故障，否则，所述发电机未发生轴承电腐蚀故障。
8.一种双馈异步风力发电机轴承电腐蚀故障检测***，其特征在于，所述***包括：
监测模块，用于通过CMS振动监测***实时监测双馈异步风力发电机轴承的运行状态；
测量模块，用于当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，利用高内阻毫伏表测量所述发电机的轴电压，利用涡流电导率仪测量所述发电机的转轴电导率；
确定模块，用于根据所述发电机的轴电压和转轴电导率确定所述发电机转轴的轴电流密度；
判断模块，用于基于所述述发电机转轴的轴电流密度判断所述发电机是否发生轴承电腐蚀故障。
9.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括：
预警模块，用于当所述发电机轴承的振动频率大于预设的报警阈值时，所述CMS振动监测***发出预警。
10.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述高内阻毫伏表的测量正极通过测量碳刷连接至所述发电机的驱动端转轴表面，所述高内阻毫伏表的测量负极通过接地线缆接地。
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