本文摘要：摘 要：老舊風力發(fā)電機組普遍存在發(fā)電機故障率高的問題，導(dǎo)致風機頻繁停機，嚴重影響風機運行，降低發(fā)電量，甚至還會影響風機運行安全和發(fā)電機使用壽命�，F(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，對雙饋異步發(fā)電機常見的散熱系統(tǒng)故障、機械結(jié)構(gòu)故障進行分析，深入探討故障原因并提出解決方案，
摘 要：老舊風力發(fā)電機組普遍存在發(fā)電機故障率高的問題，導(dǎo)致風機頻繁停機，嚴重影響風機運行，降低發(fā)電量，甚至還會影響風機運行安全和發(fā)電機使用壽命�，F(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，對雙饋異步發(fā)電機常見的散熱系統(tǒng)故障、機械結(jié)構(gòu)故障進行分析，深入探討故障原因并提出解決方案，以保障發(fā)電機可靠運行。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機;故障;原因;解決方案
0 引言
隨著風電行業(yè)的快速發(fā)展，風電機組裝機容量和規(guī)模不斷擴大，在眾多早期服役的風電機組中，1.5 MW風機是主力機型，該容量的風電機組通常采用雙饋異步發(fā)電機，設(shè)備運行時間多在10～15年，隨著服役年限增加，這些機組無論是國產(chǎn)的還是進口的，都面臨著設(shè)備老化、備件停產(chǎn)、運行故障率高等一系列影響機組可利用率和風電場生產(chǎn)效益的問題。發(fā)電機作為風電機組核心大部件之一，負責將機械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機故障是導(dǎo)致風電機組頻繁停機的常見故障，發(fā)電機故障率高將嚴重影響風電場發(fā)電量和經(jīng)濟效益。深入分析發(fā)電機散熱系統(tǒng)故障、機械結(jié)構(gòu)故障產(chǎn)生原因和失效模式，提出解決方案和技改措施，對保證發(fā)電機可靠運行具有重要意義。
1 發(fā)電機常見故障形式
某風電場共66臺風機，2010年投入運營，風電機組采用1.5 MW雙饋異步發(fā)電機，散熱系統(tǒng)采用背包式空空冷卻裝置[1]，發(fā)電機常見的故障形式分為散熱系統(tǒng)故障和機械結(jié)構(gòu)故障，且散熱系統(tǒng)故障的損失電量和故障次數(shù)占比較大。散熱系統(tǒng)故障主要包括發(fā)電機定子繞組溫度過高，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子接頭過熱，發(fā)電機前后軸承溫度高。定子繞組溫度由安裝在定子鐵芯的Pt100測量，定轉(zhuǎn)子接頭溫度由安裝在定子和轉(zhuǎn)子接線箱內(nèi)部動力電纜上的溫度開關(guān)測量，軸承溫度由安裝在軸承端蓋處的Pt100測量。機械結(jié)構(gòu)故障主要包括發(fā)電機軸承損壞，轉(zhuǎn)子過橋線、引出線損壞。
2 發(fā)電機故障原因分析及解決方案
根據(jù)現(xiàn)場踏勘和檢查結(jié)果，結(jié)合故障時刻的數(shù)據(jù)特征，采用根因分析的方法，從人、機、物、法、環(huán)等方面進行多維度分析。
2.1 發(fā)電機繞組溫度故障停機閾值存在提升空間經(jīng)查，該風電場發(fā)電機繞組絕緣等級為H級，允許的最大工作溫度為180 ℃，溫升限度為130 K。目前發(fā)電機定子繞組溫度主控設(shè)置報警閾值為130 ℃，故障停機閾值為140 ℃，定子繞組溫度設(shè)定值仍有10～20 ℃的提升空間。解決方案：經(jīng)過原風機廠家設(shè)計論證和書面同意后，選擇若干臺繞組過溫故障發(fā)電機進行主控參數(shù)調(diào)整，將繞組過溫報警閾值調(diào)整到148 ℃，故障停機閾值調(diào)整到155 ℃，避免繞組溫度超過舊的故障閾值造成停機。
發(fā)電機連續(xù)滿發(fā)運行3～4 h后繞組溫度才能達到熱平衡，熱平衡之后，繞組溫度趨于穩(wěn)定而不再升高。在調(diào)整主控參數(shù)之后進行了12個月的驗證，大部分發(fā)電機持續(xù)滿發(fā)時繞組溫度能夠達到熱平衡且不再上升，繞組溫度未超過155 ℃故障停機閾值，避免了故障停機損失。針對仍然出現(xiàn)繞組過溫故障的少數(shù)發(fā)電機，風電場采取下架返廠維修的措施，由專業(yè)的發(fā)電機廠家進行拆解和溫升試驗，確定故障原因并進行維修。
2.2 發(fā)電機繞組溫度漂移發(fā)電機繞組溫度依靠Pt100傳感器進行測量，Pt100的穩(wěn)定性決定了測量溫度的準確性，在實際使用過程中，由于工作環(huán)境、使用時長等因素的影響，Pt100會發(fā)生溫度跳變、漂移等一系列故障，導(dǎo)致測量溫度出現(xiàn)異常。Pt100溫度漂移的嚴重程度和運行工況相關(guān)，發(fā)電機在停機情況下三相繞組溫度和機艙溫度接近，溫度漂移不明顯;發(fā)電機運行功率和溫度越高，溫度漂移越嚴重。解決方案：發(fā)電機原有的繞組測溫Pt100安裝在定子鐵芯內(nèi)部，一旦損壞無法更換。
如果只有一相繞組溫度存在漂移，采取屏蔽該相繞組Pt100測溫信號的措施，避免故障停機。如果有兩相及以上繞組溫度存在漂移問題，需在發(fā)電機定子繞組端部額外加裝Pt100。在發(fā)電機驅(qū)動端U、V、W三相各加裝1個Pt100，發(fā)電機非驅(qū)動端U、V、W三相各加裝1個Pt100，共加裝6個Pt100。由于原有的Pt100安裝在定子鐵芯內(nèi)部，距離端部仍有一段距離，安裝在端部的Pt100需增加一個溫度補償值，以反映原有鐵芯內(nèi)部的溫度，基于全負載試驗滿發(fā)條件下得到的結(jié)果，補償值在10～15 K。
2.3 發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電纜溫度開關(guān)選擇不合理根據(jù)發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電纜絕緣材料性能的要求，電纜最高工作溫度為90 ℃，電纜溫度開關(guān)閾值設(shè)定在85 ℃較為合理。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，目前該風電場共有13臺風機定子電纜溫度開關(guān)閾值設(shè)置為60 ℃，閾值偏低，容易觸發(fā)報警。因此，風電場配合半年檢或年檢的機會，將60 ℃的溫度開關(guān)全部更換為85 ℃的溫度開關(guān)。
2.4 發(fā)電機散熱能力不足，空冷器內(nèi)部管路污染在發(fā)電機運行過程中，散熱分為熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3種方式[2]，繞組和鐵芯損耗產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到電機表面，并通過強制對流的方法將熱量帶走，除少部分熱量通過熱輻射散發(fā)到機艙內(nèi)，多數(shù)熱量被發(fā)電機上的冷卻器帶走。該風電場采用空空冷卻器對發(fā)電機進行散熱，冷卻器靠軸流風扇帶動空氣流動，風冷機組通風系統(tǒng)的好壞將直接影響發(fā)電機的冷卻效果。風路是否順暢，能否帶走發(fā)電機各個發(fā)熱部位的熱量，對發(fā)電機的性能有很大影響[3]。
檢查發(fā)電機用戶手冊可知，電機適用于海拔≤1 000 m的高度，設(shè)計能力不滿足現(xiàn)場平均高度2 117 m的要求，需要提升發(fā)電機冷卻系統(tǒng)散熱能力。該風電場發(fā)電機服役年限超過10年，空冷器內(nèi)部散熱管路上灰塵和油氣較多，導(dǎo)致熱交換能力下降，內(nèi)部熱量無法有效被外部冷空氣帶走，影響發(fā)電機散熱性能。解決方案：通過增加外風路的風量，提高發(fā)電機散熱能力。對于散熱軸流風扇，可采用簡易的外風量測試方法，從風扇中心開始，沿著外徑方向按照相同的間距選擇5～8個測點，用手持式風速儀測量各測點的風速，并求得平均風速，平均風速乘以風扇的截面積得到風量。
將同品牌同型號的發(fā)電機散熱風扇風量測量值進行對比，選擇風量值較低的發(fā)電機進行散熱風扇技改，更換更大功率、轉(zhuǎn)速的散熱風扇，提高發(fā)電機散熱能力。需要注意的是，塔上更換散熱風扇時，需要提前測量風機機艙吊裝口的尺寸，避免新風扇尺寸過大無法通過機艙吊裝口，新風扇的尺寸接口要與舊的空冷器相匹配。本次技改采用雙軸流風扇替代舊的單軸流風扇。針對空冷器內(nèi)部管路污染問題，由于空冷器管路塔上清洗不易實現(xiàn)，建議日后下架采用高壓氣槍清洗，清洗時要注意避免使用過硬的毛刷劃傷管壁。
2.5 發(fā)電機排風罩破損、塌陷發(fā)電機冷卻系統(tǒng)將熱量通過尾部排風罩排放至外界空氣，尾部排風罩采用塑膠材質(zhì)，鋼箍纏繞固定。發(fā)電機高速運轉(zhuǎn)并產(chǎn)生振動和熱量，排風罩長時間工作在振動、高溫環(huán)境下容易破損和脫落，排風罩一旦破損，熱量會通過排風罩破損的孔洞排放至機艙內(nèi)，使機艙溫度升高，機艙溫升會引起傳動鏈潤滑水平下降、管線加速老化等嚴重問題[4]，直接導(dǎo)致機艙內(nèi)部發(fā)電機、齒輪箱等大部件散熱條件變差，嚴重時會造成發(fā)電機過溫故障。
現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn)部分發(fā)電機排風罩尺寸過長，導(dǎo)致排風罩轉(zhuǎn)彎半徑過大并產(chǎn)生塌陷，降低了排風罩內(nèi)部的通風面積，影響熱空氣流動。解決方案：更換合適尺寸的排風罩。需要注意的是，排風罩尺寸過長或過短均不利于散熱，過長會導(dǎo)致排風罩塌陷，過短會增加固定端的受力，容易使排風罩破損和脫落。排風罩轉(zhuǎn)彎半徑的最低點應(yīng)落在空冷器熱風流動的方向上。
2.6 發(fā)電機軸承自動潤滑系統(tǒng)損壞發(fā)電機軸承采用自動潤滑系統(tǒng)，部分發(fā)電機軸承自動注油泵已經(jīng)損壞，導(dǎo)致潤滑泵無法定時定量給軸承注入新的油脂，軸承在缺油的條件下運行導(dǎo)致溫度升高。該發(fā)電機的自動潤滑系統(tǒng)型號較老，信號未能接入主控系統(tǒng)。解決方案：針對自動潤滑系統(tǒng)損壞的情況，采用手動注油的方法，按照發(fā)電機廠家提供的潤滑要求定期定量給軸承注入油脂;或者更換新型號的發(fā)電機自動潤滑系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)需具備損壞報警功能，報警信號(包括綜合故障報警信號、堵塞報警信號、低液位報警信號)能夠接入主控系統(tǒng)。
2.7 發(fā)電機軸電流造成軸承電腐蝕
在定期檢查時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸承存在異響，檢查發(fā)電機潤滑和對中情況并無異常，將軸承拆下后發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈存在等間距的“搓衣板”紋路，判斷為發(fā)電機軸承失效，原因是軸電流造成電腐蝕。雙饋異步發(fā)電機采用變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供高頻切換的電壓脈沖，因此在軸、兩端軸承和機座的環(huán)路中產(chǎn)生了高頻環(huán)流，且軸承轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的靜電放電及發(fā)電機磁場不對稱這兩種情況也會使發(fā)電機軸帶電[5]。軸電壓雖然微小，但當量值達到足以擊穿軸承潤滑油膜時，瞬間將依次經(jīng)過軸承內(nèi)圈、滾動體、外圈與電機定子機座構(gòu)成回路(過電流)并產(chǎn)生電火花。
一旦出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，軸承滾道或滾動體在電流導(dǎo)通區(qū)域就會形成熔滴狀破壞性表面，造成軸承提前失效。解決方案：一般來說，完全消除軸電流非常困難，通常采用“疏導(dǎo)”和“阻隔”的方法避免軸電流對軸承的損傷。一方面，在發(fā)電機前軸承加裝接地碳刷，疏導(dǎo)軸電流直接流向接地系統(tǒng);另一方面，使用絕緣軸承或絕緣端蓋阻擋軸電流經(jīng)過軸承產(chǎn)生回路。
2.8 發(fā)電機集碳盒破損發(fā)電機碳刷磨損產(chǎn)生的碳粉會被排放到集碳盒，集碳盒安裝有濾棉，用以吸收碳粉。定期對發(fā)電機檢查時發(fā)現(xiàn)個別集碳盒存在輕微變形和破損，導(dǎo)致少量碳粉溢出。工作人員應(yīng)及時清理碳粉，并更換新的集碳盒和濾棉，避免碳粉破壞風電設(shè)備的絕緣性能。
2.9 發(fā)電機過橋線、引出線損壞部分發(fā)電機出現(xiàn)并網(wǎng)失敗、轉(zhuǎn)子開路的情況，發(fā)電機需下塔維修。故障均為轉(zhuǎn)子過橋線斷裂造成轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣損壞或轉(zhuǎn)子引出線斷裂，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子端部甩開與定子繞組摩擦，造成發(fā)電機鐵芯變形，致使發(fā)電機報廢。
解決方案：目前已有成熟可靠的對發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)極間連線及轉(zhuǎn)子引出線進行技改的方案，一是增加過橋線固定點和支撐點，減少根部圓角的應(yīng)力集中，減小振動;二是修改過橋線圖紙，增大過橋線折彎R角，過橋線與銅排連接部位做成彎曲形狀，這樣既可減少應(yīng)力集中，也有利于吸振。針對引出線，改變電纜固定方式，在引出線外部增加一個支架，支架采用絕緣材料，并用螺栓固定，支架可以固定引出線，以有效抵抗離心力的影響，減少轉(zhuǎn)子電纜離心力帶來的應(yīng)力集中[6]。技改的同時對發(fā)電機進行深度保養(yǎng)，維護或更換運行狀態(tài)不良的軸承和附件，提高發(fā)電機的運行可靠性，從而減少發(fā)電量損失。
3 改進后效果分析
該風電場通過為期一年的發(fā)電機故障專項治理，實施上述解決方案并進行了效果驗證。驗證分為小批量驗證及批量驗證，根據(jù)2021年全年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)電機故障損失電量同比降低53%，故障次數(shù)同比降低70%，發(fā)電機運行可靠性得到明顯提升，保障了風電機組的安全穩(wěn)定運行。
4 結(jié)語
本文通過對老舊機組發(fā)電機故障原因進行分析，提出了針對性解決方案，即采取發(fā)電機繞組溫度控制參數(shù)調(diào)節(jié)、發(fā)電機散熱風扇塔上技改、發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電纜溫度開關(guān)更換等技改措施，可明顯降低發(fā)電機故障率，從而減少風電場運維成本，提升發(fā)電效益。
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作者：李 琰
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