風電變流器預防性維護檢測技術應用研究

胡占飛

摘 要 自從20世紀90年代開始，為了促進風電并網的快速發展，國家推出了一系列風電發展支持政策，尤其是2005年初的《中華人民共和國可再生能源法》，極大地鼓舞了各方投資者和風電供應商的開發熱情，市場上的主流產品迅速從定槳距恒速恒頻風電機組升級為以變流器為核心的變槳距變速恒頻風電機組，并隨之在2007—2010年迎來了我國風電并網的首個小高峰。時至今日，當年大規模投入運行的雙饋及直驅風電機組已經壽命過半，其變流器系統各部件都呈現出不同程度的老化，從而造成難以察覺的安全隱患，嚴重時甚至引發電氣火災。鑒于早期大規模集中式風電開發的快速發展，目前越來越多的風電機組逐漸進入老化故障期，針對上述風電變流器內部器件劣化引發的電氣火災，有必要開展有效的狀態監測和隱患排查。

關鍵詞 風電變流器;預防性維護檢測;紅外檢測;超聲波檢測

引言

近年來，隨著大型風力發電機單機容量的穩步增長，其功率變流器的容量也隨之增加，電氣結構更加復雜，電子元件負載加大，這些變化都極大影響并提高了功率變流器的故障率。同時，風電場經常建立在風資源豐富但氣候復雜的地區，功率變流器的工作環境極其惡劣，發生故障在所難免。風力發電機功率變流器的核心組件是功率開關元器件，即絕緣柵雙極晶體管InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）模塊。近年來雖然有一些成果，但鮮有能同時診斷功率變流器IGBT模塊單一和雙開路故障的，且存在誤判、漏判和準確率較低的缺陷。并且，由于保護模塊的作用，短路故障會轉變成開路故障。所以，對風力發電機功率變流器IGBT模塊開路故障的診斷是至關重要的。

1劣化因素分析

（1）電氣因素。因風電機組故障或超發引起的變流器過電流造成其內部導體和絕緣材料局部過熱老化;過負荷分合斷路器和接觸器時因電弧火花造成的觸頭氧化及接頭燒蝕;因操作過電壓、雷電過電壓造成絕緣強度下降;因絕緣材料局部放電造成的單點破壞逐漸擴大，導致整體絕緣的全面劣化。

（2）各種電氣設備接線錯誤問題。一個電流互感器需連接多種電氣設備，一旦出現人為失誤致使電氣設備間的接線混亂，極有可能造成整體電路系統短路，影響整個電路系統的安全運轉和人員的生命安全。

（3）環境因素。風電變流器所處環境相對惡劣，因高溫發熱、鹽霧潮濕、灰塵油污以及紫外線輻射等都無法估計，造成其內部接頭部位接觸不良、器件連接點氧化腐蝕以及絕緣材料變質老化;因老鼠、白蟻等小動物咬壞電纜、浸水等造成的破損[1]。

2預防性維護檢測技術

（1）超聲波檢測技術。對于放電型隱患，可以利用超聲波檢測設備對工作狀態下的風電變流器進行測量，比較典型的有超聲波局部放電檢測儀，其基本原理是利用外差法將電氣局部放電所產生的高頻噪聲通過壓電原理先行轉化為電流信號，然后再通過內部處理將其轉化為人耳可聽的音頻信號，并在通過高頻接收器接收電氣設備產生的超聲波信號時對其音質和強度進行分析，這樣可以快速檢測出放電現象并精確定位故障點，從而及時發現設備內部的隱患缺陷。

（2）狀態量檢測。電力狀態量檢測主要是針對電力系統發展過程中，對電力計量裝置的整體運行情況進行充分的分析，并結合實際的情況，對電力計量裝置運行過程中各種變量的負荷特點以及變化情況進行科學有效的分析，從而從整體上判斷電力計量裝置是否存在異常情況。并通過對電力狀態量進行有效監測，及時了解用戶的用電情況。在這個過程中，對于電路以及電線的損壞情況也要及時掌握，從而保證電力的正常運行。

（3）紅外檢測技術。對于過熱型隱患，可以利用紅外檢測設備對工作狀態下的風電變流器進行測量，比較典型的主要有紅外測溫儀、紅外熱像儀和紅外熱電視，其中最具備智能故障診斷開發能力的紅外熱像儀，其基本原理是利用紅外探測器和光學成像物鏡，接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形，并將其反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，并利用不同的顏色代表被測物體的不同溫度，然后應用圖像處理技術，分析出設備的運行狀態[2]。

3風電變流器預防性維護檢測方案

（1）斷路器。主斷路器是風電機組與電網線路連接的核心保護器件，對整個機組起到安全保護作用。目前主斷路器基本具備計數功能，但由于斷路器在故障時會帶大電流分斷，導致內部絕緣下降，動作次數只能作為參考，可以通過紅外技術檢測其內部動靜觸頭及外部接頭處的溫度分布來判斷是否接觸不良，通過超聲波檢測技術檢測斷路器滅弧室是否存在局部放電。

（2）電流互感器接地。為防止此類安全隱患的產生，所有電流互感器都會將二次系統的二次線圈接入地線。它是保障電流互感器二次系統正常運行和工作人員人身財產安全最有效的屏障。所有電路系統中電流互感器在投入運行前務必加強檢測工作，謹防電流互感器二次點接地和一次系統絕緣性被破壞，一旦出現電路電纜損壞，需立即進行斷電搶修。

（3）電阻器。風電變流器中為了防止主接觸器閉合后直流母線的支撐電容瞬間短路，通常設置了預充電電阻用于直流母線預充電;同時，為了保障風電機組在電壓跌落的一定范圍內能夠不間斷并網運行，低電壓穿越回路上通常配置Crowbar電阻用來平衡有功并保護機組。如果電阻器內部出現接觸不良，或者引線松動、脫落甚至斷裂等造成阻值變化或者斷路時都會呈現出熱效應的非正常現象，可以通過紅外熱成像技術檢測出其是否正常[3]。

4結束語

針對風電變流器的現場檢測實施，應該在現有定檢運維的基礎上針對紅外檢測和超聲波檢測逐步探索其定制化的運檢方案，并結合現場實踐進一步積累經驗，以提高預防性維護檢測的可靠性與準確性。

參考文獻

[1] 高亞真，黃守道，付雪婷，等.基于電壓注入的雙PWM變流器直流母線電容的在線檢測[J].大電機技術，2018（6）：79-83.

[2] 周志朋，謝冬梅.雙饋風電機組變流器故障診斷研究綜述[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2018，14（4）：349-353.

[3] 夏巖.微網大功率儲能變流器關鍵技術研究[D].北京：電子科技大學，2018.