1 交流电流和直流电流对轴承的损坏
众所周知,电流能引起轴承的损坏,因为通过轴承的交、直流电会在轴承中形成回路。电流密度低于2A/mm²时,长时间存在这种电流会引起轴承损坏,电流密度为1.4A/mm²时,轴承在几千小时内损坏,甚至在电流密度为0.7A/mm²时,轴承都有可能损坏。仅有小风险存在时的最低极限电流密度应为0.1A/mm²。其他可知的危险源是焊接电流和通过轴承到大地的静电电流。
2 雷电流对轴承的损坏
与上述的直流和交流电流相比较,很明显,雷电流持续时间较短。在轴承滚道和滚动体之间的电弧会消耗足够大的能量引起严重的凹痕。
一般,雷击后不检查风力发电机组轴承,所以雷电损坏风力发电机组轴承的实际经验很少。在确定损坏发生前要花费数年的时间来认定一系列证据也是非常困难的。此外,轴承滚动体和滚道的延迟损坏也无法轻易地认为是雷击损坏,因为雷电电弧引起的材料表面的凹陷和熔化会造成越来越多轴承滚动体和滚道的磨损。大多数这样的延迟损坏都未确定是由雷击引起的。
可是,还是有一些事例表明是由雷击引起风力发电机组轴承的损坏。由于修理费用非常高,两到三起雷击损坏离岸风力发电机组的事例引起了特别地关注,风力发电机组被雷击导致叶片损坏。不久以后,还引起几次大型主轴承的严重损坏。由于风力发电机组离岸设置,这种风力发电机组主要部件的修理费用很昂贵甚至比风力发电机组还贵。
最近,丹麦风场有四个风力发电机组被雷击损坏。风力发电机组的主人能源公司决定拆除一个90kW的由雷击损坏的风力发电机组,用以检查轴承。很明显,经过几次雷击后风力发电机组已经无法正常运转了,有一个叶片已完全损坏,掉到地上。在46个轴承滚动体上发现的凹痕和磨损达到3mm以上,相应地也在前部主轴承的滚道上发现了许多类似的损坏。轴承制造商因此估计雷击损坏是减少轴承寿命的3个因素之一。
3 实验室研究结果
很少进行雷电流对轴承的损坏效果的调查。有一个调查发现雷电流引起的磨损位于滚动体和滚道之间的接触点处,还发现雷电流密度大约在4kA/mm²以上轴承出现损坏,这种损坏是随着机械载荷的增加而增加的,机械载荷较低时,轴承上出现不连续的凹痕和磨损,载荷较高时在滚动体和滚道接触处就出现凹槽。在雷电流值较高时轴承的损坏特征也是如此,但是材料熔化和损坏的区域却增加了。除了电流密度和载荷外,调查还发现轴承有润滑时,损坏数量减少。
另有其他研究人员对雷电流作用于桨距轴承和发电机轴承进行了研究,得到一组结果。他们分别对转动的轴承和固定的发电机轴承做了同样的试验,只在转动的轴承上观察到了损坏。损坏的原因是在滚动体和滚道之间的破坏点的电弧通过隔离的流体润滑层传到旋转着的轴承。
很明显,需要对轴承的损坏进行进一步的调查。对雷电流从风力发电机组轮毂到塔架的分布调查表明80%的雷电流脉冲通过最外面的主轴轴承传递,另外20%的雷电流分布在第二主轴轴承、齿轮箱和发电机上。
4 齿轮箱的雷电损坏
除了上述的调查证明有部分雷电流进入齿轮箱外,没有确切的证据表明雷击造成齿轮的损坏有几个雷击风力发电机组叶片导致齿轮和轴承损坏的实例。可是,迄今为止还没有确定这样的损坏是否为主轴承被雷击损坏后的次生效应。有时,在拆除的齿轮箱中会发现凹痕,但确定其为明确的证据是非常困难的。
5 轴承和齿轮箱组件的防护
大型重载轴承和固定轴承很可能会传递雷电流而无损坏。因此对缓慢运动的变桨距轴承和偏航轴承不需要进行雷电防护。总之,推荐使用软导线、滑动触点或相似的措施作为传导跨过轴承的雷电流的通道。
至于主轴承、齿轮箱和发电机轴承,很难同时用性能良好的金属传递雷电流和用润滑减少摩擦。大多数制造商都在尝试减少雷电流通过主轴部分的方法,这种方法是以滑动触点、电刷和火化间隙提供雷电流通道。大型轴承阻抗很低,而滑动触点,电刷和火化间隙及接地都有较高的阻抗。因此,这种措施不能将所有的雷电流从轴承中转移走。
有些制造商使用碳刷等电流水平非常低的部件为分流部件,因此遭受雷击时电弧容易跨越这些部件。并且,电刷易磨损所以要求经常更换,还有一个问题是碳刷时常产生碳末。
图1 可供选择的减少雷电流的通路
为了减少雷电流通过轴承,雷电流必须通过低阻抗通道分流,在通过轴承的电流通道中某处加入电阻或绝缘层来增加轴承的阻抗。如图1所示在低速轴的前端建立这种电流通道,同时在所有轴承、齿轮箱和连接机舱底板(本地参考地)的高速轴的电流通道中插入绝缘层。许多制造商利用挠性联轴节插入高速轴,这也可以提供所需的绝缘而保护发电机免遭雷电流侵入发电机轴。
闪络或电气事故时,应考虑在被绝缘的传动系和机舱底板之间出现的高电压,因为这对在机舱的人员会有危险。须保护传动系的电气设备不受这些过电压的损害。