磁环滤波器在双馈风电机发电机轴承电磁干扰处理中的应用，轴电流

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引言

近年来,1.5MW-4MW的双馈风电机组在国内风电场的建设中发挥了主力军的作用，双馈电机在较大转速范围内以恒定的频率向电网输电。有效地提高发电效率，但也带来了严重的电磁干扰影响。双馈风电变流器直接驱动转子，在转子轴上产生较高的共模电压。该共模电压带来的危害，向前可以使齿轮箱发生电蚀，向后使双馈电机自身的轴承发生电蚀，使发电机轴承在较短的时间内失效；对于发电机自身，共模电流使转子局部损耗增大，破坏电机绝缘。上述危害增加了电机的故障率和维修成本，为了保证系统可靠性和稳定性，需要对共模电压/电流进行抑制，本文将从磁环滤波器在共模电压/电流抑制中的应用进行探讨。

国内外工程领域对上述问题进行了广泛研究，文献[1]提出了基于磁环滤波器用以抑制共模电流。

对于双馈风电机组，合理的利用磁环滤波器进行共模抑制，可以有效的降低电磁干扰问题,将双馈电机上的轴电流降低到合理范围。

本文从风电场现场轴承损伤现象出发，对具体问题做出具体分析，分析了引起轴承损伤的原因大部分是电腐蚀，展示了电腐蚀引起轴承损伤的具体现象，分析了引起电腐蚀是由于共模轴电流的存在，并分析了磁环滤波器方案可以有效减小轴电流的具体原因。最后在国华河北某风电场的双馈机组做了具体验证，验证效果明显。

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双馈机组轴电流原因分析

图1 双馈发电机组等效模型图

双馈风电发电机组变流器控制系统中，每相输出信号都包含有高切换频率的电压脉冲，因电路中含有寄生电容，三相脉冲电压与寄生电容耦合后形成共模电流，即Icm=C*(du/dt),该电流会在转轴、两端轴承和机座的环路中形成高频环流。其中：Icm 表示系统中的共模电流，C表示共模系统中的等效电容，du/dt表示电压的变化率。由此可见，共模电流的大小与du/dt及寄生电容的大小有关。变流器输出至电机的电缆越长,寄生电容C值越大，电机等效电容C越大。电机功率越大,开关频率、电压上升时间越快,则du/dt越大。

2.1 轴承轴电流

变频器工作时输出的为电压方波，如图2的黄色部分为电压信号，蓝色为电流信号。在每个工作点，电压电流的矢量和均不为零。

图2 共模电流共模电压波形图

共模电流的分支流经轴承时便形成轴电流，共模电流总是沿着系统中阻抗低的路径来流动，不同的阻抗对应不同的路径（参见图3），

路径1：变流器--输出电缆--定子--驱动端轴承--转轴--负载--地线--变流器

路径2：变流器--输出电缆--定子--驱动端轴承--转轴负载--地线--变流器

或变流器--输出电缆--定子--转轴--负载--地线--变流器

路径3：变流器--输出电缆--定子--负载--地线--变流器

路径4：变流器--输出电缆--定子--地线--变流器

图3 共模电流在流经轴承的分支电流即为轴电流

图4 共模电流在变频驱动系统中不同的路径实示意图

2.2 轴电流类型

有三种典型的轴电流类型（参见图5），分别是循环电流轴电流，转子轴接地轴电流，EDM（Electricdischargemachines）电火花放电电流。循环电流轴电流路径：发电机轴--驱动端轴承--发电机外壳-非驱动端轴承--发电机轴的容性高频电流。转子轴接地轴电流路径：发电机外壳--驱动端轴承--发电机轴--联轴器--齿轮箱。

接地系统EDM轴电流路径：高频脉冲轴电流对轴承不断的充电放电过程。

图5 轴电流类型

2.3 轴电流的频谱特性

高频轴电流的频率高达数MHZ,对容器件来说，容性器件在高频时阻抗非常小，这是轴承容易电腐蚀的根本原因。

图6为250KW电机轴承在不同频率下的阻抗与容值曲线（实际测试值，SKF6316轴承），从该图中我们得知频率越高对应阻抗越低，低频时轴承不太会发生电腐蚀，高频时轴承较容易发生电腐蚀，因此绝缘轴承或陶瓷轴承在高频时通常也会发生电腐蚀。

图6 轴承在不同频率电流下的阻抗

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轴承电腐蚀原因

变流器产生的共模电流流过发电机轴承时，便形成高频的轴电流，变频驱动产生的轴承轴电流是系统共模电流的一个分支电流。

当变流器中的IGBT工作时，高频共模电压阈值超过轴承油膜阈值后，油膜首先被击穿，油膜失去保护轴承的功能，共模电压与系统的寄生电容耦合后，形成轴承轴电流，油膜的阻抗在轴电流作用下，使油膜表面颜色发暗，油膜失效，图片见图7左侧。轴电流在油膜失效后，继续作用于轴承上，在轴承中不断的充放电，导致轴承表面生成搓衣板状条纹，在显微镜下观察到表面有一道一道的沟痕，参见图7右侧。

从左往右依次为：轴电流导致油脂失效、轴承套圈不光洁表面、带凹槽轴承座圈

图7 轴承电腐蚀过程

3.1 轴承电腐蚀治理措施比较

在已经运行的风电机组中，降低轴电流的技术手段，目前主要通过改变运行环境或者增加硬件设备来实现共模电压的抑制，例如将发电机的轴承更换为陶瓷绝缘轴承，增加发电机滑环接地碳刷或使用具有传导性的润滑剂等方法来降低轴电流，从而保护电机的轴承。主要措施是加装滤波器、使用绝缘轴承、采用特殊电缆和反向抵消等方法。

措施1：采用绝缘轴承或陶瓷球轴承

绝缘轴承或陶瓷器轴承的阻抗在50HZ时高达数百MΩ，在低频时效果非常明显，但高频时阻抗急速下降到数KΩ，下降了数百倍。增加阻抗的原理等效于将轴承轴电流反射或转移路径，该高频轴电流并没有凭空消失。

采用绝缘轴承，不仅造价昂贵，而且由于缺少了电流通路会产生比有导电通路状态下更高的尖峰电压，如不吸收，会对绝缘造成威胁，但轴承故障可以改善。绝缘轴承虽然在绝缘性能方面有显著的提升，但机械性能会有不同程度的下降。

图8 绝缘轴承

措施2：采用屏蔽电缆

屏蔽电缆通过屏蔽层接地后，高频共模电流因集肤效应，部分高频共模电流从屏蔽层中以传导或辐射的方式流动，集肤深度跟电流频率有关，频率越高，集肤深度越小。

屏蔽层的功能将高频共模电流导走，共模电流并没有消失。屏蔽层只对传导干扰有效，辐射干扰无效。采用特殊结构的电缆，本质上是吸收加屏蔽的电缆，不仅存在吸收滤波效果与电缆长度相关的问题，同时由于要求材料柔软、吸收效果好，绝缘层势必加厚，对于等尺寸电缆，载流量下降，散热效果变差。因此，限制了该类电缆的广泛应用。

图9 屏蔽电缆

措施3：采用接地方式

接地的方式很多，单独接地线接地、金属外壳接地、碳刷接地、铜导体等电位接地等，接地后，高频共模电流或轴电流会部分流入大地后，再次回到变流器的输入侧，形成电流回路，接地的效果取决于接地阻抗，阻抗越小，效果越好。接地后高频共模电流并没有消失，只是更改电流流向。

图10 接地

措施4：采用磁环滤波器

磁环滤波器主要工作原理是，当高频共模电流流过共模滤波器时，高频滤波器本体的插入损耗将高频共模信号吸收，把电能转换成热能散发掉，从而有效保护发电机轴承。

图11 磁环滤波器

不同情况下轴电流治理措施效果对比

我公司技术人员开展了各种情况下的测试，额定功率1250KW发电机，测试功率850KW,通过MATLAB频域分析，THD从10816%下降到6163%，共模电流高频部分吸收效果良好。

图12 3片磁环滤波器应用现场

根据实际测试数据，共模滤波器对轴承电腐蚀治理效果最为理想，不仅电流降幅最大，而且将共模电流直接吸收掉，从根源上来治理，下降的电流值转换成热量，不会再回到系统中。

表1 同一机型不同措施下共模电流治理效果

图14 110A峰值电流波形频域分析

图15 23.2A峰值电流波形频域分析

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磁环滤波器的实际应用

随着新材料出现，新型材料纳米晶磁环在电磁兼容领域得到广泛应用。在变流器与发电机转子之间的长线缆中加装滤波磁环是一种简单有效的方法，选用磁环为纳米晶类型，它是电力电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，所在在不会对电缆中的工频电流参数影响，当信号频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。使正常有用的工频信号很好的通过，正常传递能量，又能很好的抑制高频干扰信号的通过，抑制高频的共模干扰信号。

磁环是损耗式滤波器，主要用于抑制线缆上的传导及辐射干扰。选择磁环时，主要考虑两个方面的因素：一是被滤波电路的干扰特性，二是磁环的阻抗特性。在风电机组中使用磁环的最大优点是与被滤波电路没有直接的电气连接，不会影响到系统的稳定性。另外，被滤波的电缆在穿过磁环后，可以增加线缆的电感量，会有更好的干扰抑制效果。

地处河北坝上的国华恒泰、佳鑫等风电场，目前运行有品牌一1.25MW机组158台，品牌二1.5MW机组172台，从机组多年运行故障情况来看，发电机轴承由于电腐蚀损坏较多，故障特征较为明显。品牌一1.25MW机组2015年-2018年更换轴承82套，品牌二1.5MW机组2015年-2018年更换轴承153套；国华公司根据现场的实际情况，组织技术人员开展了采用磁环滤波器对存在缺陷进行处理的具体实施试验。

图16.1 磁环滤波器的应用试验

由图中的方案设计本次试验步骤如下：

先测试没加装磁环前风电机系统中机侧变流器与电机间的总共模电流的大小。

根据测试结果选择合适的磁环加装于机侧变流器与电机间靠近变流器侧的电缆上（磁环内孔穿过三相电缆），测试加装磁环后系统中总共模电流的大小。

对比前后测试波形数据，选择最优的方案。

确定方案固定安装磁环，检验对轴承保护的实际效果。

图16 变流器转子侧输出电缆

图17 磁环滤波器模块及安装支架片

根据测量结果，选用对应的磁环，从对比情况来看，共模电流峰值由38.8A下降到26A。高频波的含量明显降低。因此可以看出，纳米晶磁环对转子侧共模电流有明显的抑制作用。

扼流模块不工作，共模电流峰值38.8A，扼流模块工作后，共模电流峰值26A（发电机侧屏蔽层接地，变流器侧屏蔽层不接地状况对比）

图18 模块不工作Icm=38.8A(峰值）

图19 模块工作Icm=26A(峰值）

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结论

大型双馈风电机组因变流器转子侧输出共模电流较高，对轴承的安全运行造成了威胁。为了保持机组运行的可靠性和稳定性，必须使其产生的负面影响降低到可以接受的范围内，需要对其进行必要的抑制。

在各种磁性材料中，纳米晶磁环具有良好的综合性能，最适合用于共模抑制。通过感应原理以热量形式将转子侧高频谐波分量吸收，降低了注入发电机侧的共模电流，减少对发电机轴承的电腐蚀。通过多次验证，共模高频滤波器模块在体积重量、安装便利性，可靠性、通用性方面有着非常高的优势，该新技术的推广有良好实际价值。综上，磁环滤波的方法对减少轴电流有一定作用，轴电流中的高频部分抑制作用明显。

参考文献

[1]Annette Muetze Bearing Currents in inverter-Fed AC-motors.

[2]刘瑞芳，陈嘉垚朱健、任雪娇轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流抑制效果的研究电工技术学报 2020年1月第35卷增刊1.

作者：国华投资河北公司 于建国、白洁

科磁电子科（上海）有限公司 季学平