空冷式風力發電機冷卻風機故障分析

張瑩博，武春曉，潘磊，張啟應

（國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

空冷式風力發電機冷卻風機故障分析

張瑩博，武春曉，潘磊，張啟應

（國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

本文簡述了風電機組中發電機冷卻風機的損壞故障問題，統計了冷卻風機損壞故障的種類，著重分析了由于異步電機缺相運行造成的故障。針對已經出現故障的4臺冷卻風機進行了現場拆解，分析具體故障原因。主要有四類原因，其中電機燒毀占據了故障中的主要部分，但是電機的機械故障和接線等問題引發的故障也不可忽視。本文針對以上故障原因提出了相應的解決措施。

空冷器； 故障； 風力發電機； 控制措施

0 引言

從“風力發電”概念的提出，到現在風電行業快速發展的時代已有一百多年的歷史。從歷史的發展來看，發電機的功率容量隨著技術的發展逐漸增加，從開始的十幾千瓦到現在的數兆瓦及數十兆瓦；發電機的類型也是多種多樣，從開始的最初直接用于生產的直流發電機，到后來的異步發電機、直驅發電機以及技術更加先進的其他風力發電機類型。到目前為止，國內風電場使用最多的是1.5MW雙饋式異步風力發電機。其中，應用最多的是空空式冷卻雙饋異步風力發電機[1-2]。空空式冷卻雙饋式風力發電機結構是在箱式機座上安裝一個空空式冷卻器，由蝸殼式冷卻風機進行軸向通風與電機內部形成熱交換的一種發電機類型，如圖1所示。

雙饋式風力發電機用空空冷卻器，包括設置于電機箱上端的冷卻器箱體和冷卻風機，機箱兩端分別設有冷卻風機的進風口和出風口，冷卻器箱體的一段設有回風口，冷卻風機的進風口聯通回風口，冷卻器箱體內設有出風管、折流板和多根換熱管，折流板豎直設置于冷卻器箱體內將冷卻箱體的中下部隔開，回風口位于折流板一側，多根換熱管水平設置于冷卻箱體的中上部且部分穿過折流板，多根換熱管一端連通出風口，另一端連通冷卻風機，根據不同設計要求可以采用離心式風機，也可以采用軸流式風機。圖2中顯示的是軸流式冷卻風機的冷卻器外形圖，圖1中的冷卻器采用的是離心式冷卻風機。

從現場反饋的問題來看，冷卻器的故障率為整個發電機故障的32%[3]，兩種結構的風冷器結構的故障率問題已經成為不可忽視的嚴重問題。

1 主要故障

從本公司風力發電機故障率的分析數據得知，關于風力發電機冷卻風機的主要故障種類有四種：冷卻風機的電機燒毀問題、接線問題、機械結構問題和其他故障問題。冷卻器的故障率如圖3所示[3]。

冷卻風機的電機燒毀問題占據了整個冷卻器故障的86%，據分析，部分電機燒毀故障是由于一些機械故障引發，以下是對故障種類的詳細說明。

1.1 冷卻風機的電機燒毀

冷卻風機的電機燒毀的原因有軸承損壞、葉輪損壞等原因造成的電機卡澀導致的電機燒毀。最重要的是由于電機的缺相運行造成的電機燒毀。

主回路開關電器接觸不良、主回路發生短路、一相熔斷器非故障形熔斷或熔斷器失去有效保護等原因都可能造成電機的缺相情況[4]。現在分析Y型接法和△型接法在缺相運行時的電流情況[5]：

Y型：當Y型接法的電動機一相斷電后，其他兩相繞組串聯，如圖4（a）所示。當電動機的負載功率不變時，則電動機正常運行時的額定電流為：

其中，Il為線電流；Ip為相電流；Ul為線電壓；PN為額定功率；cosφ為功率因數；η為效率。

當缺相時，如A相斷線，則A相電流為零，B、C兩相電流相等且

由式（2）可知，在額定負載下，Y型接法的電機在缺相運行時的線電流是額定線電流的倍。長時間的運行，正常的繞組也會因過熱而燒毀。

△型：對△型接線的電機一相斷電后，三相定子繞組分為兩路，一路為兩相繞組串聯，另一組僅有一相繞組，如圖4（b）。設電動機的負載功率不變，則電動機正常運行時的額定電流Ip=PN/(3Ulcosφ?η)，額定線電流為相斷電后，設2#繞組相電流為Ip′，則兩相繞組串聯的相電流為Ip′/2，額定功率為：

由式（3）和式（4）分析可知，在額定負載下三角接線的電動機在缺相運行時的線電流為額定電流的倍；2#繞組和相電流為額定相電流的2倍；1#和3#繞組的相電流為額定電流。長時間的運行，2#繞組會因過熱而燒毀。

圖1 某廠家1.5MW空冷式雙饋風力發電機

圖2 某廠家1.5MW風力發電機用空冷器

圖3 冷卻器風機故障類型分布

圖4 Y型接法和△型接法電機缺相運行電流分析

1.2 機械結構損壞

現場統計的故障中，有冷卻風機的電機安裝地腳斷裂、安裝螺栓斷裂或松動、葉片斷裂、軸承損壞現象。雖然機械故障不是主要部分，其他故障多數是由于機械原因產生，例如由于振動原因使電機軸承的損傷[6-7]，轉動困難引起繞組燒毀；葉片斷裂后卡死，導致繞組燒毀；地腳斷裂及安裝螺栓斷裂導致振動問題引起其他損壞，最終導致繞組燒毀等。還有由于冷卻風扇的動平衡問題最終導致的機械故障。

1.3 接線問題

冷卻風機的電機接線問題主要出現在接線盒內。在現場反饋的問題中，風電機組運行過程中報冷卻電機故障，經現場人員對其三相電阻測量，發現其中的兩相電阻不正常，檢查線路，拆開發電機側接線盒，分別測量兩個電機的相間電阻，未發現異常，檢查接線，發現機艙柜側電機接線盒內一相接線松動，緊固后再在機艙柜側進行測量結果正常，因此確定由于發電機側接線盒內接線松動導致其空開跳閘。

在實際中還有接線盒內的導線虛接現象，經過排查處理后，均可以正常運行。

1.4 其他故障

其他故障包括：由于安裝等原因，會引起軸承的損壞；惡劣環境中一些風沙等進入冷卻風機的電機中導致風電機組葉片損壞。這些問題最終也導致一些機械故障，或導致電機燒毀等問題。

2 實際冷卻風機故障電機的拆解

發電機供應廠商將空空冷卻器的4臺故障冷卻風機的電機進行了拆解，將電機按1#—4#進行編號，并一一檢查電機的對地電阻、電機軸轉動靈活性等，然后對電機進行拆解。

1#電機：運行時間8個月

故障現象：拆解前測量電機的對地電阻為0，拆解后發現該電機線圈有一處繞組燒毀，繞組已經擊穿，電機內部干凈整潔，電機軸承（型號為6205 RZ）無異常，端蓋無異常。內部圖片見圖5。

故障定位：經分析故障定位為相間擊穿。

原因分析：相間短路的原因是繞組端部相間絕緣有薄弱環節，在電機受熱或受潮的情況下，這些部位絕緣下降，最后擊穿形成相間短路。可能的原因有：（1）繞組受潮；（2）浸漆不良；（3）異物；（4）繞組絕緣受油、堿、化學腐蝕。

2#電機：運行時間11個月

故障現象：電機外帶葉輪，六個葉片中已經損壞一片，將葉輪拆下后，測量電機對地絕緣電阻正常。拆開后電機內部有大量銹蝕灰塵，端蓋銹蝕嚴重，經分析認為端蓋銹蝕及電機內部銹蝕是該電機在出廠時電機機座和端蓋內部未刷防銹漆導致。電機繞組顏色正常，但電機軸承潤滑脂有燒干的跡象，后端蓋波形彈簧圈磨損嚴重。

故障定位： 長時間運轉，軸承工作溫度過高，潤滑脂燒干，潤滑不足導致軸承不能正常工作。

原因分析：（1）固定端軸承采用擋圈定位外圈不合理。用手撥動葉輪有明顯的竄動現象，在運行過程中有可能是波形彈簧磨損。（2）電機軸承潤滑脂燒干而且無法進行加注，這是此種電機安裝設計問題決定，因此高品質潤滑脂是解決此問題的關鍵。（3）電機振動較大，與電機軸未帶葉輪聯合校動平衡有關。該電機原為獨自校動平衡后再與校過動平衡的葉輪裝配，裝配后的電機軸可能存在很大的不平衡量，從而影響軸承的使用壽命。

3#電機：運行時間12個月

故障現象：拆開前測量繞組對地絕緣電阻正常，但拆解后發現繞組端部對稱性兩處燒毀，且為同一相，接線盒內所有端子顏色正常，檢查該電機軸承正常，但波形彈簧可見明顯磨損。詳細見圖6。

故障定位：繞組端部對稱性兩處燒毀，且為同一組線圈，分析認為該故障為缺相運行引起，僅檢查接線盒內所有端子顏色正常，故推斷為電源斷相所致。

原因分析：電機缺相運行比正常運行時候的電流高，電機在過載情況下長時間運行，導致繞組燒毀，電機無法正常工作。波形彈簧圈磨損問題原因同2#電機。

圖5 1#電機拆解內部

4#電機：運行時間8個月

故障現象：電機外觀磨損嚴重，繞組對地絕緣正常，拆解后發現繞組正常，軸承正常（NSK軸承，型號6205DU，內部填充白色高溫潤滑脂），波形彈簧圈無磨損，未發現其他問題，重新裝配后試驗，運轉正常。

故障定位：外殼受損。

原因分析：電機墜落或是受外力撞擊。

3 針對拆解情況提出預防及應對措施

從現場的故障分析，及對所拆解的冷卻風機的電機情況進行了分析，造成冷卻器電機故障的原因有數種，現在對已發生的故障采取相應的措施及對以后冷卻電機的設計生產制造提出相應的預防措施。具體如下：

（1）針對繞組受潮或是浸漆不良現象的措施是：加強絕緣的處理，如果原來只浸漆一次，建議再增加一次浸漆，保證浸漆到位；

（2）加強電機生產的過程監控，需要與廠家確認耐壓要求、次數，對供貨方進行審核，必要時委派人員監造或駐廠監造；

（3）從整個機組的安裝方式分析，機艙及葉輪處于一個復雜的振動環境，為了避免發電機的振動，地腳安裝采用了彈性減震阻尼安裝方式避免由于結構振動給發電機帶來的影響。作為冷卻風機的運行方式與發電機及其類似，如果剛性安裝，發電機的嚴重振動可能會對冷卻風機產生較大的影響，致使軸承或其他部件損壞。針對此原因可以選擇與發電機安裝方式類似的減振安裝措施；

（4）改進軸向竄動造成波形彈簧圈磨損問題的措施是：改進固定端軸承結構，建議加一個軸承內蓋，解決固定端軸承的軸向定位問題，消除軸的竄動問題，以保證波形彈簧圈的磨損問題；

（5）從拆解的4#電機分析，軸承并無燒毀和損壞現象，分析得知在軸承內部填充高溫潤滑脂，因此對軸承的要求是：在冷卻風機上要求使用NSK或SKF的軸承。由于冷卻電機安裝后再難以進行維護注油等操作，因此要在軸承內部預先填充性能較好的高溫潤滑脂；

（6）從拆解的2#電機分析，葉輪的一根葉片已經斷裂，分析的原因是電機原為獨自校動平衡后再與校過動平衡的葉輪裝配，裝配后可能存在很大的不平衡量，運行過程中產生較大的振動影響。此問題的措施是：電機軸和葉輪裝配后一起重新再進行動平衡校驗，并提高動平衡等級至G1.0，以解決由于不平衡引起的振動問題；

（7）根據造成缺相運行的原因可以采取如下措施：a.在低壓電機主回路中，應該盡可能選用自動開關代替熔斷器作為短路保護；b.加強技術管理，進行定期校核、整定或更新；c.根據電機負荷率選用合適容量的熔斷器，保證其在過載情況下及時斷開電源；

（8）在冷卻風機的故障報警中有一部分是由于一些接線原因造成，例如，接線盒接線松動、或由于機械振動造成的線路磨損損壞等問題。此類問題可以采取的措施是：裝配過程中仔細檢查每根接線的牢固可靠性，在進行機組例行檢查時加強線路老化磨損等問題的排除，如出現有磨損現象及時更換電纜電線等；

（9）發電機生產廠家經分析后，冷卻風機使用的電機采用4極電機，并在部分風場的風電機組已經實施了更換，經一定運行期的跟蹤檢查發現電機的燒毀問題有所改善。因此，對以后生產的發電機冷卻器可以采用4極電機，同時，將冷卻風機的電機歸為常用備件，如果出現故障可以及時更換，以減少此故障對業主造成的損失。

4 結語

目前，空冷式雙饋異步發電機的風電機組是眾多風電生產廠家的主打機型，在這些廠家中冷卻風機故障已經成為一種普遍問題。經多方調研及分析，針對冷卻風機的故障等問題可以通過優化軸承結構并采用高性能軸承、高性能軸承潤滑脂、增加電機運行保護、調整電機的安裝方式以改善電機的運行環境、加強運行維護和使用4極電機等措施以降低相應的故障率問題。

[1] 楊建. 1.5MW雙饋風力發電機的工程應用實例[J].上海大中型電機, 2010(3):10-13.

[2] 劉木清. 3.6MW海上雙饋風力發電機設計研究[D]. 上海交通大學碩士學位論文, 2012.

[3] 武春曉. 1.5MW雙饋風力發電機常見故障處理報告[R]. 2013.

[4] 田海燕. 定異步電動機燒損原因分析及對策[J].齊魯石油化工, 2008,36(2): 139-143.

[5] 黃荷英, 金永琪. 電動機缺相運行后果及預防措施[J]. 水電能源科學, 2008, 26(3): 182-184.

[6] 徐海, 劉波, 劉啟錄.對旋式軸流風機電機損壞機理及治理對策[J].礦山機械,2006, 34(8): 49-50.

[7] 劉小龍. 軸流風機軸承損壞事故分析[J].山西科技,2010,25(3): 115-120.

Analysis of Cooling Fan Faults of Air Cooling Type Wind Power Generator

Zhang Yingbo, Wu Chunxiao, Pan Lei, Zhang Qiying
(GuoDian United Power Technology Co., Ltd., Beijing 100039, China)

The damage issues of wind generator air cooler motors were described. The kings of faults were counted, and emphatically analyzed the fault caused by lack of phase. Four failed motors were dismantled, and studied the special factors. There are four reasons led the motor to be damaged, whereby winding failure occupied the main part. Nevertheless, the faults which caused by the mechanical failure and wiring problems cannot be ignored. In view of these factors in process of solving measures were put forward.

air cooler; fault; wind power generator; control measures

TK83

A

1674-9219(2013)12-0088-04

2013-09-13。

張瑩博（1984-），男，碩士，工程師，主要從事電機機械結構設計工作。