上海行港新能源陈春华：共模电流是机组寿命和可靠性杀手

由中国农业机械工业协会风力机械分会主办的“第五届中国风电后市场专题研讨会”，于2018年6月13-14日在上海市召开。上海行港新能源科技有限公司总经理陈春华出席“第五届中国风电后市场专题研讨会”， 在风电机组运维及大部件修复专题论坛，分享题为“风电系统共模电流研究及解决方案”的主旨演讲。

以下为发言内容：

陈春华：关于这个问题，前面已经分析了一部分，涉及到这个问题，我这边更多的结合我们已经超过过的实际的案例，让大家更深入地了解到这个问题的源头以及我们现在能够采用的一些措施。从七个方面分析现在面临的问题，也许能让大家在分析故障的时候多一个思路。

首先，什么是共模电流？现在随着半导体技术的发展，IGBT的高频切换是共模电流产生的源头。这个对控制来讲是非常有帮助的，可以让控制设计的越来越小型化，而且越来越精准，但随之带来的附加问题让你的频率越来越高，输出的共模电流频率越来越高，最终会越来越高的频率共模电流会击穿绝缘的措施，最终导致系统的损坏。从这里看到源头在你的变频器里的IGBT，输出的共模信号会随着电缆线传递到发电机上，甚至如果你没有绝缘措施的话会一路传递下去到你的减速箱到负载，再形成不同的回路。这两个图很容易理解，首先会产生共模电压，但你的回路形成的时候，它会形成共模电路，会在系统不同的部分，形成不同的回路，通过接地的地方又流回到变频器，或者流回到电网里面。这里产生了很多不同的回路，这里通过电机的地方，目前在风场里面比较集中的问题，最终体现出来是轴承的电腐蚀。但共模电流产生的问题不局限于造成的轴承损坏，也还有其他的地方，可能有的时候比较奇怪的故障也是这个问题造成的，但我们难以分析。轴电流造成的轴承失效是相对比较集中的问题。

第二，共模电流产生的危害。EMC问题与产品功能关系不大，当共模电流在电机内部形成回路时，流经转子轴的电流称为轴电流，该电流是造成轴承电腐蚀和润滑失效的直接源头。放电还会造成润滑脂的失效。轴承可以视作集成电流，当你的共模干扰信号频率不是很高的时候，可以足够保护你的流层，但共模足够高的时候，形成的油膜、绝缘最终都会失效。这是我们实际分析测量250千瓦电机轴承，在不停地的运行当中不停地放电会产生，最终在这里形成一个电火花的信号，通过频繁地在轴承滚动当中一直有这样的放电现象，最终形成这样的搓衣板状纹。现在有一些数据，前面是美国那边的兄弟公司传过来的信息，一个轴承一般寿命是在10万小时以上，但在整个生命周期里面或者更换涉及的费用比较高。另外是国内风场自己统计的轴承失效的统计数据。这个是欧洲前期在没有使用任何保护措施发生的一些电腐蚀现象，可以看到它的电腐蚀现象也比较严重，极端的话还会造成发电机的烧毁。这个是欧洲的统计数据，轴承电腐蚀造成的风机失效所占的比重比较高。

对电机的寿命、可靠性来讲最重要的是绝缘系统要保持稳定，之前电机因素以前并不是非常核心的因素，因为以前不用变频器的时候，绝缘系统和共模的因素并不那么直接相关。但现在随着IGBT的普及，变频器的应用，这个问题慢慢变成了提前的问题。从这个图里面看到很多不同问题造成最终电机孙，共模电流其中最直接的造成的就是一个轴承损坏，同时在间接很多其他的因素损坏。比方说过电流、轴承损坏造成振动，分析源头的时候或许可以考虑一下高频的共模电流造成的。

从之前的分析，我们自己把共模电流定义为一个隐形的杀手，可能在系统里面不停地在运行，但并不知道，最终影响可靠性。而且高频的干扰信号，对不同的器械、容性、感性、通性的，后面结合案例具体分析造成的危害。这个是国家的标准，之前老早就有这方面的定义，只是以前这方面涉及的比较少，这个问题是被忽视的。这里轴电流的限额是1.5A/mm平方，轴承和轨道接触的面很小，目前评估的结果来看，基本上现有方案，这个轴电流基本都少。

第三，什么是纳米晶磁芯？我们看到很多公司选择过这个方案，但最终并没有执行这个方案，最终烧掉了，毁掉了，反而造成一定的损坏。

第四，当前共模电流防治措施。目前已经看到的，第一个是最普遍的就是碳刷接地，这个采用的非常多。这个方案其实是采用了一个导的方案，把共模信号不要通过轴承，建立通道导到大壁了，形成了保护，但这个电流没有吸收掉，而且是易损件，要维护的。第二个方面是做绝缘轴承或者绝缘处理，这个是堵的方案，增加阻抗的，不让它通过，绝缘轴承用的比较多，当然绝缘轴承比较贵。用绝缘轴承一定程度增强阻抗延缓寿命，但没有把这个问题彻底解决，没有把这部分电流彻底吸收掉。第三个是用评比电缆或系统接地，这个也是导的方案，不同的位置改善接地以后让共模不要跑老跑去，跑到大地上。这个是铁氧体磁芯方案，这个在大电流方面并不和适用，一般在通信领域用的比较多。我们现在说的是纳米晶磁芯方案，这个是比较有效的方案，而且真正把共模电流吸收掉。当不平衡电流穿过的时候，这个不平衡电流会在磁芯内部产生感应电流，然后转化热能散发，会消耗一定的电流，共模电流就是不平衡电流，这个是最基本的原理。我们看到现在使用的这个方案应该说有比较明显的优势，尤其是对后市场，已经装机的设备，这个方案是比较便捷也比较容易实现，而且有非常好的效果的措施。而且不用维护，装好基本上是一劳永逸的。

第六，纳米晶磁芯方案验证，这个在实验室、现场都非常容易实现。这个是测试到的电压和电流波形，IGBT输出的都是PWM的方波，每一个波把它放大，每一次切换会有一个高频的振荡。我们把磁芯装上去，看前后两个波的波形变化，高频振荡在打开的瞬间就没了。这是我们验证的已经产生结果的一个项目，这个轴承已经是腐蚀掉了，我们如果去测试它的共模电流的值，可以看到它的共模电流峰值大概要86万，装两个磁芯以后，它马上变成49，再加一个磁芯又变成了42Amps，这个是在接地器上测得的，在加磁芯前后变化一个是24A，一个是9A。这个是测试的轴电压从37V变成了14V，装了磁芯以后。这个是模拟装了轴电流，这个电流基本上等于轴电流，有了导线以后不会通过轴电流，可以看到从7A降到了2A。

第七，应用案例。这个是华能通榆团结风电场，这是在内蒙赤峰的点测的值，共模电流下降了80%，这个装了12个磁芯。这个在张家口那边的风场看到的，这个风场运行了很多年，他的轴承每年报废的数量是比较多的，这个问题现在在这个行业里面目前是一个比较严重的问题应该要及时采取措施，我们这个下降了52%。

这个是其他的应用，这个是空压机项目，电机温升也有一定的下降，这个是工业的应用，是产生了通信干扰，当它装了变频器以后，旁边的显示器无法正式使用，我们去现场评估以后，这个干扰信号降到55%以后就恢复生产工作了。这个是钢厂轧线的项目，我们装了磁芯以后，马上共模的电流下降了，下降以后电机温升整个使用工况也会有一定改善。这个是宝钢的项目，电机的轴承损坏有所延缓，后面电机和变速箱之间没有任何的绝缘措施，后面造成了变速箱的轴承不停地在损坏。

如果你的系统没有绝缘的地方，或者绝缘不是很妥善的地方，那么很容易就会造成整个的系统里面共模电流到处跑，可能会在你无法确定的时候就会在你的系统里面造成一定的危害。这是造纸厂的改造，其他的工业应用，新能源汽车EMC解决方案，原理是一模一样，就是这样高频的干扰信号，包括特斯拉也是要用这样的方案去改善，改善他整个系统的可靠性。所以这不是单个部件的问题，如果单个看变频器或者分析发电机本身都是符合要求的，但形成新的系统，用了很长的导线连起来，形成新的完整的系统最终会产生一些其他的问题。

在新电机领域，现在有比较完善的EMC测试的方式，但是风电系统，因为我们设备非常大，没办法完整地帮你做一个测试评估，所以这个问题目前是被忽略的，我们现在可以提供一些测试评估，提供一定的解决方案。现在采取的解决措施，目前我们看到的只能一部分解决问题，并不能完全解决问题。

谢谢大家！

（根据发言整理，未经本人审阅）

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