葉日新，董明，任明，林海，張崇興，秦緒華（．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安70049；．國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林長(zhǎng)春3000）

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與分析

葉日新1，董明1，任明1，林海2，張崇興1，秦緒華2
（1．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；2．國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林長(zhǎng)春132000）

闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因以及危害。結(jié)合兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)量方案，并實(shí)測(cè)了軸電壓和軸電流波形。采用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)實(shí)測(cè)波形進(jìn)行分析，通過(guò)比較其有效值、峰峰值以及FFT波形，結(jié)果顯示出在不同接地方式下軸電壓和軸電流存在差異；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸2側(cè)接地電刷均接地時(shí)軸電壓最小，電刷均不接地時(shí)軸電壓最大；且軸電流在1 000 Hz和2 000 Hz處有明顯的電流分量。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，保證發(fā)電機(jī)的總體絕緣狀況良好和轉(zhuǎn)軸2側(cè)的接地電刷可靠接地，以確保發(fā)電機(jī)正?？煽窟\(yùn)行。

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；軸電壓；軸電流；接地方式

隨著全球能源緊缺，風(fēng)力發(fā)電作為一種采用清潔能源的高新技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了快速的發(fā)展[1]。風(fēng)能作為一種清潔能源，在其轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[2-5]。目前，國(guó)內(nèi)在建、已投入運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)已近30個(gè)，國(guó)家制定的2020年風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)規(guī)劃目標(biāo)是2 000~3 000萬(wàn)kW，我國(guó)近期主要在裝備兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)組，目前已經(jīng)有了1.5~2.0 MW的風(fēng)力機(jī)組，以滿(mǎn)足我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的需要。但是，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際安裝運(yùn)行中已出現(xiàn)了大量的故障，影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)某電力公司的300多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于各種故障運(yùn)行實(shí)際能夠運(yùn)行的風(fēng)機(jī)只有1/3，而國(guó)外很多風(fēng)電公司在風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝運(yùn)行初期，同樣出現(xiàn)了大量的故障，嚴(yán)重影響了設(shè)備的運(yùn)行效率[6-7]。

發(fā)電機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心裝置，其安全可靠運(yùn)行將直接影響到整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定和輸出電能的質(zhì)量。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期工作于風(fēng)沙、鹽蝕等惡劣的氣候環(huán)境下，當(dāng)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，運(yùn)行負(fù)載過(guò)重，或頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，則極易造成嚴(yán)重的電機(jī)故障，進(jìn)而影響到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的正常運(yùn)行[8]。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行使用期內(nèi)，由于某些原因引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為軸電壓。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在軸電壓時(shí)，如沒(méi)有采取合適的抑制或防護(hù)措施，將會(huì)在軸承、軸瓦和齒輪等部件產(chǎn)生有害的軸電流，并對(duì)這些部件產(chǎn)生損害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成發(fā)電機(jī)產(chǎn)生故障，引起停機(jī)事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[9-13]。

本文針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)量方案，對(duì)發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流進(jìn)行了測(cè)量。采用MATLAB軟件對(duì)所測(cè)軸電壓和軸電流的波形進(jìn)行分析，結(jié)果顯示在不同接地方式下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流存在差異，且軸電流存在明顯的高頻交流分量。

1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流

1.1軸電壓產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸2端或軸與軸承之間產(chǎn)生的電位差稱(chēng)為軸電壓。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要存在不平衡的磁通交鏈在轉(zhuǎn)軸上，就會(huì)在轉(zhuǎn)軸的2端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[14]，當(dāng)其達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)造成油膜擊穿，損壞轉(zhuǎn)軸和軸承，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生軸電壓的原因主要有如下幾個(gè)方面[15-17]：

1）磁路不平衡。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造方面的原因，比如定子鐵芯材料磁化特性有差異、定子硅鋼疊片存在接縫和定子轉(zhuǎn)子氣隙不均勻等，造成發(fā)電機(jī)的磁路存在不平衡的磁阻。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁路的不對(duì)稱(chēng)引起磁通上分布的不均勻，就會(huì)引起多余的交變磁通交鏈在轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸2端感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，形成軸電壓。

2）單極磁勢(shì)。由于發(fā)電機(jī)中電刷裝置的換向極、集電環(huán)、補(bǔ)償繞組和串級(jí)繞組連接線(xiàn)等形成各種環(huán)繞軸的閉合回路，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在不足，導(dǎo)致它們的磁勢(shì)不能相互抵消，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)繞轉(zhuǎn)軸的剩余磁勢(shì)，造成轉(zhuǎn)軸磁化。在電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸2端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢(shì)，由于其原理與單極發(fā)電機(jī)一樣，故稱(chēng)為單極磁勢(shì)。這種原因形成的軸電壓在負(fù)載恒定時(shí)，會(huì)隨著負(fù)荷電流發(fā)生變化變化，因此一旦造成油膜擊穿，極易燒毀軸瓦。

3）電容電流。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組嵌入在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，由于轉(zhuǎn)子繞組與鐵芯之間以及繞組匝間均存在分布電容，當(dāng)發(fā)電機(jī)逆變供電運(yùn)行時(shí)，電流中的脈動(dòng)分量就會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組與鐵芯之間形成電容電流，造成轉(zhuǎn)軸與地之間產(chǎn)生一個(gè)電位差。這種軸電壓的量值主要是由電源中的脈動(dòng)分量決定的，往往具有高頻分量。

4）靜電感應(yīng)。發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸各部與軸瓦處由于潤(rùn)滑油的摩擦產(chǎn)生靜電電荷，當(dāng)電荷逐漸積累到一定程度后便產(chǎn)生了軸電壓。靜電電荷產(chǎn)生的軸電壓具有間歇性和非同期性，其大小與電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)密切相關(guān)，如靜電電荷的積累、電機(jī)部件絕緣破損等都會(huì)導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。

1.2軸電流產(chǎn)生機(jī)理

軸電流是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸中一種有害的渦流。在正常運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承之間存在一層油膜，此油膜具有潤(rùn)滑和絕緣的功能。當(dāng)軸電壓較低時(shí)，潤(rùn)滑油膜可以起到良好的絕緣作用；但當(dāng)軸電壓由于電機(jī)故障等原因升高到一定數(shù)值時(shí)，特別是在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸與軸承之間尚未形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，軸電壓極易擊穿油膜形成放電回路，產(chǎn)生相當(dāng)大的軸電流。整個(gè)放電回路基本為電機(jī)軸—軸頸—軸承—軸承支架—機(jī)組底座。軸電流對(duì)發(fā)電機(jī)的危害主要有如下幾個(gè)方面[18-20]：

1）軸電流對(duì)潤(rùn)滑油膜具有電解作用和加熱作用，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)軸和軸承之間的潤(rùn)滑油膜造成損害，導(dǎo)致潤(rùn)滑油發(fā)生碳化，加速油脂劣化，造成油膜潤(rùn)滑功能降低甚至失去，同時(shí)還會(huì)引起軸承溫度升高，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸和軸承之間的產(chǎn)生不同程度的損傷情況。

2）由于轉(zhuǎn)軸與軸承之間的金屬接觸面積很小，當(dāng)軸電流產(chǎn)生后，軸電流密度會(huì)很大，引起軸承局部溫度過(guò)高，導(dǎo)致軸承內(nèi)表面出現(xiàn)條狀熔蝕傷痕，嚴(yán)重時(shí)甚至可能直接燒壞軸頸和軸瓦。

3）軸電流的存在會(huì)引起轉(zhuǎn)軸和軸承之間反復(fù)放電和滅弧，導(dǎo)致軸承發(fā)生熔蝕，被熔蝕的軸承合金在巨大的碾壓力作用下從軸承表面飛濺出來(lái)，進(jìn)而在軸承內(nèi)表面形成密集的熔蝕凹坑。這些蝕點(diǎn)的存在會(huì)使軸承內(nèi)表面變得粗糙，破壞了軸頸與軸瓦的配合，加劇了軸承的損壞，縮短了發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命。

2　軸電壓和軸電流的測(cè)量方法

2.1軸電壓標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸電壓測(cè)定方法[21]為：被測(cè)試發(fā)電機(jī)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸如圖1所示，由于軸電壓的頻率成分較復(fù)雜，測(cè)量時(shí)必須采用高內(nèi)阻交流電壓表。首先測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩端之間的電壓U1，然后將發(fā)電機(jī)軸瓦與轉(zhuǎn)軸短接，消除轉(zhuǎn)軸2端油膜壓降，再測(cè)量勵(lì)磁側(cè)軸瓦與地之間的電壓U2。

圖1　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸示意圖Fig.1The generator shaft diagram

判斷依據(jù)：

1）當(dāng)U1≈U2時(shí)，說(shuō)明絕緣墊絕緣情況良好。

2）當(dāng)U1>U2時(shí)（U2<10%U1），說(shuō)明絕緣墊絕緣不好，存在軸電流。由于軸電流會(huì)在轉(zhuǎn)軸和底座上產(chǎn)生壓降，造成U1>U2。

3）當(dāng)U1

2.2軸電壓波形測(cè)量方法

對(duì)軸電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如圖2所示，使發(fā)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，連接線(xiàn)分別接轉(zhuǎn)軸2端，輸出經(jīng)屏蔽電纜接示波記錄儀，示波記錄儀顯示并記錄軸電壓波形。

圖2　軸電壓波形測(cè)量圖Fig.2The measurement of shaft voltage waveform

2.3軸電流波形測(cè)量方法

對(duì)軸電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如圖3所示，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸2側(cè)的接地電刷有1個(gè)或者2個(gè)均接地，用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量流過(guò)接地導(dǎo)線(xiàn)的電流就是軸電流，輸出接示波記錄儀顯示并記錄軸電流波形。

3　兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量實(shí)例

3.1試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容

本次試驗(yàn)針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示，在試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，采用高壓探頭LeCroy接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸2端測(cè)量軸電壓，羅氏線(xiàn)圈PearsonTM4688和PearsonTM8585C測(cè)量軸電流，示波器Tektronix2024B顯示并記錄波形。同時(shí)通過(guò)改變轉(zhuǎn)軸2側(cè)接地電刷是否接地，分別測(cè)量在四種不同接地方式下的軸電壓和軸電流。

圖3　軸電流波形測(cè)量圖Fig.3The measurement of shaft current waveform

圖4　風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際測(cè)量圖Fig.4The measurement of shaft voltage and current

具體試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容為：

1）現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)如圖4所示。高壓探頭連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩側(cè)測(cè)量軸電壓；接地導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)羅氏線(xiàn)圈測(cè)量軸電流。

2）轉(zhuǎn)軸勵(lì)磁側(cè)和驅(qū)動(dòng)側(cè)的接地電刷均接地，測(cè)量軸電壓U和流過(guò)2側(cè)接地導(dǎo)線(xiàn)的軸電流為I1、I2。

3）轉(zhuǎn)軸勵(lì)磁側(cè)接地電刷接地、驅(qū)動(dòng)側(cè)接地電刷不接地，測(cè)量軸電壓U和流過(guò)勵(lì)磁側(cè)接地導(dǎo)線(xiàn)的軸電流I1。

4）轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)側(cè)接地電刷接地、勵(lì)磁側(cè)接地電刷不接地，測(cè)量軸電壓U和流過(guò)驅(qū)動(dòng)側(cè)接地導(dǎo)線(xiàn)的軸電流I2。

5）轉(zhuǎn)軸勵(lì)磁側(cè)和驅(qū)動(dòng)側(cè)的接地電刷均不接地，測(cè)量軸電壓U。

3.2試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量試驗(yàn)中，在不同接地方式下對(duì)軸電壓和軸電流進(jìn)行6~7次測(cè)量并記錄試驗(yàn)波形，如圖5所示。

圖5　不同接地方式下軸電壓和軸電流波形Fig.5The measurement results of shaft voltage and current

4　試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析

4.1軸電壓和軸電流時(shí)域分析

通過(guò)MATLAB軟件編程對(duì)所測(cè)軸電壓和軸電流波形進(jìn)行計(jì)算分析，得到了在兩側(cè)接地電刷均接地、勵(lì)磁側(cè)接地電刷接地驅(qū)動(dòng)側(cè)不接地、驅(qū)動(dòng)側(cè)接地電刷接地勵(lì)磁側(cè)不接地和2側(cè)接地電刷均不接地這4種不同接地方式下風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流的有效值與峰峰值，如表1所示。

表1　不同接地方式下軸電壓、軸電流Tab.1The measurement results of shaft voltage and current under different grounding systems

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的不同接地方式下軸電壓的柱狀圖，如圖6所示。

圖6　不同接地方式下軸電壓柱狀圖Fig.6The histogram of shaft voltage under grounding systems

從測(cè)量結(jié)果可以看出：

1）由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩側(cè)接地電刷接地方式的改變，發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流的大小也隨之發(fā)生變化，同時(shí)軸電壓和軸電流的有效值和峰峰值均是比較大，且其峰峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有效值。

2）在4種不同的接地方式中，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩側(cè)接地電刷均接地時(shí)，其軸電壓是最小的，但軸電壓的有效值仍有2 V，且峰峰值高達(dá)40 V；在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)接地電刷均不接地時(shí)，發(fā)電機(jī)軸電壓的有效值和峰峰值均是最大的，分別為20 V和200 V。

3）在兩側(cè)接地電刷均接地方式下，由于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)均與大地相連接，理論上發(fā)電機(jī)的軸電壓測(cè)量值應(yīng)當(dāng)為零。但在測(cè)量中軸電壓是存在的，分析主要是由于發(fā)電機(jī)是架設(shè)在80 m的高空中，接地電刷并不能與大地直接相連接，而是經(jīng)接地導(dǎo)線(xiàn)連接在塔筒壁上，再與大地連接，導(dǎo)致接地電阻過(guò)大，因此造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩側(cè)仍有電位差。

4）在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)接地電刷接地、勵(lì)磁側(cè)不接地方式下，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，軸電壓和軸電流變?yōu)?種方式最小。主要是由于這組數(shù)據(jù)是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓試驗(yàn)中最后一項(xiàng)測(cè)量的，測(cè)量時(shí)發(fā)電機(jī)的風(fēng)速和運(yùn)行功率相對(duì)于其他3種接地方

式下較小，造成試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)差異。

4.2軸電壓和軸電流頻域分析

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流中含有直流分量、交流分量和高頻分量[17]，因此需要對(duì)軸電壓和軸電流波形進(jìn)行頻譜分析，以確定發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流的主要頻率成分量值。在4種不同接地方式下，發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流的頻譜特性，如圖7—圖10所示。

圖7　勵(lì)磁側(cè)、驅(qū)動(dòng)側(cè)均接地下波形頻譜特性Fig.7The measurement waveforms FFT under both brushes being grounded

圖8　勵(lì)磁側(cè)接地、驅(qū)動(dòng)側(cè)不接地下波形頻譜特性Fig.8The measurement waveforms FFT under only the brush being grounded in shaft excitation side

圖9　驅(qū)動(dòng)側(cè)接地、勵(lì)磁側(cè)不接地下波形頻譜特性Fig.9The measurement waveforms FFT under only the brush being grounded in shaft drive side

圖10　勵(lì)磁側(cè)、驅(qū)動(dòng)側(cè)均不接地下波形頻譜特性Fig.10The measurement waveforms FFT under neither brushes being grounded

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流波形可以看出，軸電壓波形呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則狀，軸電流波形則是具有一定的周期性。結(jié)合兩者的頻譜特性，發(fā)電機(jī)的軸電流有較強(qiáng)的高頻分量，特別是在頻率為1 000 Hz和2 000 Hz的高頻電流分量非常明顯，而軸電壓則在低頻分量處特別明顯。

5　討論

本文對(duì)在不同接地方式下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流進(jìn)行了測(cè)量和分析，由于轉(zhuǎn)軸2側(cè)接地電刷接地方式的改變，造成了發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流也發(fā)生了變化。但在試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)側(cè)接地電刷接地、勵(lì)磁側(cè)不接地方式下測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了反?，F(xiàn)象，主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流的大小不僅與接地方式有關(guān)，還受到風(fēng)速和發(fā)電機(jī)輸出功率的影響，同時(shí)不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間也存在差異，因而造成測(cè)量結(jié)果的反?，F(xiàn)象。

隨著風(fēng)速的變大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也增大，這會(huì)直接影響到發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流，因此為進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流，應(yīng)當(dāng)測(cè)量發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速和輸出功率下的軸電壓和軸電流，建立軸電壓和軸電流與風(fēng)速和發(fā)電機(jī)輸出功率之間的關(guān)系。同時(shí)不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流也存在差異，為獲取更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，需在多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量并進(jìn)行分析。

6　結(jié)語(yǔ)

在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)在不同接地方式下發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流進(jìn)行測(cè)量，可以看出在轉(zhuǎn)軸2側(cè)接地電刷均接地下，發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流為4種方式中最小，但軸電壓和軸電流仍是比較大的，足以對(duì)發(fā)電機(jī)的軸承造成嚴(yán)重危害。當(dāng)轉(zhuǎn)軸2側(cè)接地電刷只有一個(gè)正常接地時(shí)，軸電壓和軸電流明顯增大；當(dāng)2側(cè)均不接地時(shí)，軸電壓迅速上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了轉(zhuǎn)軸2側(cè)正常接地時(shí)的軸電壓值。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，存在軸電壓和軸電流，這會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)軸承和運(yùn)行狀況產(chǎn)生極大的危害。當(dāng)轉(zhuǎn)軸2側(cè)的接地電刷接地故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的軸電壓和軸電流會(huì)增大，且軸電壓的峰峰值會(huì)達(dá)到幾百伏，這嚴(yán)重威脅了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，且極大影響了電能的質(zhì)量，甚至可能造成發(fā)電機(jī)故障，導(dǎo)致停機(jī)檢修。因此，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行定期的檢修和維護(hù)，保證發(fā)電機(jī)的總體絕緣狀況良好和轉(zhuǎn)軸2側(cè)的接地電刷可靠接地等，確保發(fā)電機(jī)正?？煽窟\(yùn)行。

[1]劉細(xì)平，林鶴云．風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)綜述[J]．大電機(jī)技術(shù)，2007（3）：17-20，55．LIU Xiping，LIN Heyun．Overview of wind power generatorsandthecontroltechnologies[J]．LargeElectric Machine and Hydraulic Turbine，2007（3）：17-20，55（in Chinese）．

[2]范李平，楊力森，武粉桃．風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2009（6）:58-61．FAN Liping，YANG Lisen，WU Fentao．Influence of wind farm interconnected to power grid on stability of power system[J]．Power System and Clean Energy，2009（6）:58-61（in Chinese）．

[3]徐浩，李揚(yáng)．風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響[J]．江蘇電機(jī)工程，2007（6）：68-71．XU Hao，LI Yang．The influence to the power system of wind power[J]．Jiangsu Electrical Engineering，2007（6）：68-71（in Chinese）．

[4]孫自勝，樊炫君，譚涌波，等.基于一種智能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)與研究[J].電瓷避雷器，2014（1）：97-101. SUN Zisheng，F(xiàn)AN Xuanjun，TAN Yongbo，et al.Research and design of an intelligent surge protective device for wind turbines[J].Insulators and Surge Arresters，2014（1）：97-101（in Chinese）．

[5]宋景博，潘文霞，普珍，等.考慮接觸電壓的風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電瓷避雷器，2013（6）:56-60. SONG Jingbo，PAN Wenxia，PU Zhen，et al.Optimization design of wind turbine grounding grid considering touch voltage[J].Insulators and Surge Arresters，2013（6）:56-60（in Chinese）．

[6]張鎖懷，張文禮，張青雷．基于Adams的MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)建模[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（4）：51-57．ZHANGSuohuai，ZHANGWenli，ZHANGQinglei．Dynamic model of MW grade wind turbine based on adams[J]．Journal of North China Electric Power University，2009（4）：51-57（in Chinese）．

[7]AMIRAT Y，BENBOUZID M，BENSAKER B．Condition monitoring and fault diagnosis in wind energy conversion systems A review．Electric Machines．&Drives Conference，IEMDC，IEEE International，2007：1434-1439．

[8]彭鐳．兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010．

[9]馬衛(wèi)東．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率追蹤[J]．高壓電器，2012（7）：57-61，65．MA Weidong．Maximum power point tracking for wind turbine[J]．High Voltage Apparatus，2012（7）：57-61，65（in Chinese）．

[10]茆春俊．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障處理和運(yùn)維措施[J]．電力與能源，2013（3）:284-285，288．MAO Chunjun．Fault treatment and maintenance measure of wind power generation equipment[J]．Power&Energy，2013（3）:284-285，288（in Chinese）．

[11]朱濤．風(fēng)電接入系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題研究綜述[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2009（5）：58-63．ZHU Tao．Review of some problems related to wind farm integration[J]．Southern Power System Technology，2009（5）：58-63（in Chinese）．

[12]譚世海，石勝平，熊雋迪．發(fā)電機(jī)軸電流對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的影響及對(duì)策研究[J]．重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013（2）：43-45．TAN Shihai，SHI Shengping，XIONG Jundi．A study on the shaft current of the generator on its operation and relevant precautionary measures[J]．Journal of Chongqing Electric Power College，2013（2）：43-45（in Chinese）．

[13]花成剛，張本練．電機(jī)軸電流分析與齒輪箱軸電流防范[J]．冶金動(dòng)力，2014（2）：7-10．HUA Chenggang，ZHANG Benlian．Analysis of shaft current of motors and prevention of shaft current of gearboxes[J]．Metallurgical Power，2014（2）：7-10（in Chinese）．

[14]盧家慧．電機(jī)試驗(yàn)中軸電壓的測(cè)量方法[J]．電氣防爆，2013（4）：37-40．LU Jiahui．Shaft voltage method in motor test[J]．Electric Explosion Protection，2013（4）：37-40（in Chinese）．

[15]MICHAEL J C．Shaft voltage and rotating machinery[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1993，29（2）：419-426．

[16]AMMANN C，REICHERT K，JOHO R，et al．Shaft voltages in generators with static excitation systemsproblems and solutions[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，1988，3（2）：409-419．

[17]楊萍．電動(dòng)機(jī)軸電流的危害及消除軸電流的措施[J]．包鋼科技，2005（4）：65-66，85．YANG Ping．Harm of the electro-motor’s crankshaft electric current and measures of eliminating the current[J]．Science&Technology of Baotou Steel Corportion，2005（4）：65-66，85（in Chinese）．

[18]王曉華，李永剛，武玉才．汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓的分析[J]．電力科學(xué)與工程，2009（11）：73-76．WANG Xiaohua，LI Yonggang，WU Yucai．Analysis and prevention on shaft voltage of turbine generators[J]．Electric Power Science and Engineering，2009（11）：73-76（in Chinese）．

[19]高峰，吳亞旗．變頻電機(jī)軸電流分析及對(duì)策[J]．電機(jī)技術(shù)，2007（4）：25-27．GAO Feng，WU Yaqi．Analysis on the shaft-current of frequency-control motors and its solution[J]．Electrical Machinery Technology，2007（4）：25-27（in Chinese）．

[20]王中，孫元章，李國(guó)杰，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流諧波分析[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010（6）：1-5．WANG Zhong，SUN Yuanzhang，LI Guojie，et al．Stator current harmonics analysis of doubly-fed induction generator[J]．Electric Power Automatic Equipment，2007（4）：25-27（in Chinese）．

[21]茍智德，富立新．GB/T1029《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》的修訂[J]．大電機(jī)技術(shù)，2004（3）：40-42．GOU Zhide，F(xiàn)U Lixin．Emending of GB/T1029 for the test procedures of three-phase synchronous machines[J]．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2004（3）：40-42（in Chinese）．

（編輯董小兵）

Measurement and Analysis on Shaft Voltage of Megawatt Wind Generation

YE Rixin1，DONG Ming1，REN Ming1，LIN Hai2，ZHANG Chongxing1，QIN Xuhua2
（1.State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China；2.State Grid Jilin Electric Power Research Institute，Changchun 132000，Jilin，China）

In this paper，the cause and damage of the shaft voltage in wind generation is expounded firstly.Based on the actual installation of the megawatt wind generating units，the experimental measurement method is accordingly designed，and the waveforms of the shaft voltage and current are acquired. Meanwhile，the measured waveforms，including their virtual value，peak-peak values and FFT transforms are analyzed by using MATLAB.It is found that that the shaft voltage and current have larger difference in the variation of grounding systems，the shaft voltage is the smallest when both brushes are grounded and is the largest when neither brushes are grounded，the shaft current have larger current components at the 1 000 Hz and 2 000 Hz.In a word，ensuring that the overall insulation of the wind generator is in good order and both bushes at the both sides of the rotating shaft are reliably grounded are crucial to the reliable operation of the wind generation system.

megawatt wind generation；shaft voltage；shaft current；grounding system；measurement method

1674-3814（2015）06-0097-07

TM935

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50907051）。

Project Supported by the National Natural Science Funds（50907051）.

2014-12-26。

葉日新（1992—），男，工學(xué)碩士，主要從事電力設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷；

董明（1977—），男，博士（后），副教授，主要從事電力設(shè)備檢測(cè)與故障診斷技術(shù)教學(xué)及研究。