風電變流器預防性維護檢測技術運用研究

吳思宇，張晨剛，李源

華能新能源股份有限公司河北分公司，河北石家莊，050000

0 引言

分析風電變流器預防性維護檢測技術，有利于升級當前風電機組常規維護工作。近些年，很多業主開始自主維護大部分的風電機組，但是在風電變流器常規維護過程中，每年都需要定期更換清洗濾網，同時需要定期開展器件除灰等工作，這就需要提高維護人員工作專業性和責任心，因為當前還沒有成熟的變流器深度維護檢修的工作站，因而需要加強研究風電變流器預防性維護檢測技術，完善預防性維護檢測系統，進一步提高整體檢測水平，保障風電交流器運行的安全性和可靠性。

1 風電變流器預防性維護檢測技術應用背景

風電變流器應用時間比較長，將會引發器件老化，并且增加整體設備的故障率，因為夏季氣溫比較高，機組在滿功率運行過程中更容易發生故障。很多企業重視這一問題，利用維護手冊安排專業檢修人員定期深度維護變流器，完成維護工作之后可以在短期內緩解變流器過溫情況，但是在長時間運行過程中還會產生過溫故障，不利于徹底解決問題[1]。

變流器功率模塊的散熱片原材料為鋁翅板，鋁翅板的上面具有散熱絨面，但是在長時間運行過程中很容易沾染油污灰塵，而且很難清理干凈，從而降低整體散熱效率。深度維護可以緩解過溫情況，但是無法徹底解決問題。

針對上述問題，需要利用風電變流器預防性維護檢測技術，及時完善風電變流器預防性維護檢測體系，彌補傳統交流器檢修維護不足的問題，徹底解決風電變流器使用過程中的過溫問題，同時需要做好日常老化測試，及時發現并且解決故障隱患，優化檢修處理效果，提高風電變流器機組利用率[2]。

2 風電變流器劣化因素

2.1 電氣因素的影響

在風電變流器機組運行過程中，如果風電機組發生超發問題，將會導致電流絕緣材料溫度出現異常情況，再加上風電機組故障等因素影響，將會引發導體出現過熱老化的問題。電氣因素還會直接影響過負荷分合斷路器，在實際運行過程中產生電弧火花，導致觸頭發生氧化問題，最終燒蝕主斷路器的接頭，此外在接觸器實際運行過程中也會出現這種問題。

在風電變流器的實際運行過程中，因為電壓和雷電等方面的影響，過電壓將會影響風電機組的絕緣性，如果絕緣材料出現單點破壞的問題，將會隨之放大局部放電的破壞范圍，將會引發風電變流器機組的安全隱患，甚至會產生全面劣化的局面[3]。

2.2 機械因素的影響

風電變流器機組在長期運行過程中，各個組件將會產生磨損問題，例如觸頭很容易發生磨損，或者線圈發生老化問題等。因為變流器機身具有較大的負荷，在實際運行過程中因為機械應力的影響，可能會引發變流器螺栓松動、端子排接線不實等問題，這會影響到信號反饋，導致機組出現誤報、頻繁報警等現象。而且在風電變流器振動的同時將會引發沖擊問題，因此也無法有效避免機體疲勞劣化問題。

2.3 發熱因素

在維護工作中需要重點關注風電變流器的發熱問題，因為風電變流器很容易發生發熱問題，變流器長期處于滿負荷運行狀態，再加上發生短路問題和設備老化等問題，將會引發變流器各個部件發生變形或者松弛等問題，如果接頭發生松動問題，將會影響到密封效果。不斷升高溫度之后，將會氧化絕緣材料，降低絕緣性之后將會引發短路風險。在電氣開關操作過程中，電弧將會影響到部分材料，導致材料發生變形或者燒蝕問題[4]。

2.4 環境因素

環境因素也會影響風電變流器維護檢修工作。因為風電變流器工作環境比較特殊，很容易產生灰塵和油污，而且長時間處于高溫環境和潮濕環境，很容易影響風電變流器運行的正常性，此外可能會有一些小動物啃咬信號線路，嚴重破壞信號線路完整性。

3 風電變流器預防性維護檢測技術

風電變流器預防性維護檢測技術發揮著重要的作用，電力行業并沒有系統性地規定風電變流器檢測方式，在實際工作中主要是參考相關數據和工作經驗。根據風電變流器供應商提出的數據參數，并且結合風電變流器實際運行狀態，不斷調整預防性維護檢測方案和技術。在維護檢測風電變流器的時候，如果利用單一定檢方式，無法保障風電變流器運行的安全性，甚至因為沒有及時開展維護檢測工作，而存在故障因素引發緊急停機。因此需要梳理風電變流器預防性維護檢測工作的關鍵點，有序推進預防性維護檢修工作，顯著降低風電變流器的運行風險[5]。

3.1 預防性維護原理

如果風電變流器的絕緣材料出現擊穿或者老化等問題，將會引發風電變流器發生劣化失效等問題，而且隨著時間的延長，將會不斷加劇風電變流器的劣化狀態，最終引發功能失效等問題。風電變流器的某些功能性故障通常不是在一瞬間發生，而是長期漸變發生的，而且在劣化過程中很難發現可識別的狀態量，在發生真正的功能故障之前，潛在故障正在不斷地惡化，因此需要利用預防性維護技術及時排查潛在的故障，避免引發嚴重的后果。

風電變流器的設計壽命通常為30年，并且保障使用壽命在20年以上，但是因為風電變流器的工作環境比較惡劣，在實際運行過程中存在各種影響因素，而且內部器件具有不同的性能，導致一些器件逐漸不符合設計初衷。如果器件產生潛在故障，將會逐漸降低功能狀態，引起存在電氣安全的裕量。器件的主要功能和安全參數等符合相關標準，還可以正常使用器件。具體情況如圖1所示：圖中ADF屬于自然劣化曲線，而ABCE屬于異常劣化的曲線，A代表器件發生劣化的初始點，B代表器件劣化可以檢測到的定損點，C代表器件需要維修的故障點，D代表維修保養之后的恢復點，ΔT代表狀態監測時間的間隔。如果器件產生潛在故障，將會在A點產生偏離，并且順著ABCE曲線發展，在這一過程中將會不斷降低設備功能，如果在BC段通過檢測發現故障，并且有效處理了故障，將會達到最佳止損點，避免加快劣化，否則將會引發功能失效，甚至會引發電氣事故。通過監測設備工作狀態，可以在BC段及時修復發現的潛在故障，可以及時規避后續問題，保障預防性維護效果[6]。

圖1 預防性維護示意圖

3.2 預防性維護監測技術

通過統籌分析風電變流器運行過程中存在的問題，其主要可以劃分為過熱型事故和發電型故障。發生過熱型隱患之后，將會在內部器件和線路電纜以及電氣接頭等位置發生發熱問題，持續性發熱將會引燃絕緣材料，最終發展為火災事故。放電型故障指的是損壞密封器件，導致絕緣材料發生受潮或者受損等問題，同時會產生游離放電或者電暈等，最終引發絕緣擊穿等問題，引發安全事故。

上述故障隱患不適合利用傳統的電氣檢測方法，可以利用紅外檢測技術和超聲波檢測技術，可以在供電狀態中檢測設備缺陷，并且可以定位故障發生的位置，有效分析故障性質和成因等，進一步保證整體供電狀態的可靠性和安全性[7]。

針對過熱型隱患，工作人員可以利用紅外檢測設備測量風電變流器，在實際工作中主要是利用紅外測溫儀和紅外熱像儀等設備，其中紅外熱像儀具備智能診斷能力，在實際工作中利用紅外探測器和光學成像物鏡等，接收被測目標的紅外輻射能量，并且可以在紅外探測器的光敏元件中反映出來，因此建立紅外熱像圖，同時利用不同的顏色顯示不同的溫度，隨后利用圖像處理技術準確地分析設備運行狀態。

針對放電型隱患，需要利用超聲波檢測設備測量運行中的風電變流器，通常是利用超聲波局部放電檢測儀，主要是通過外差法轉化電氣局部放電的高頻噪聲為電流信號，隨后利用內部處理轉化為音頻信號，再借助高頻接收器接收超聲波信號，通過分析音質和強度，及時精確性地檢測放電現象，并且可以準確地定位故障點，有利于及時發現設備隱患。在超聲波變流器檢修平臺運行過程中主要是利用外部交流230V供電，提供兩路電力輸出口，為檢修工作提供便利。檢修平臺主要包括靜音空壓機和超聲波去污臺以及電子元件驅動測試系統[8]。

風電變流器具有較長的使用時限，環境和運行條件等會影響風電變流器運行，在交流器功率柜中很容易產生灰塵，從而影響風機散熱效果，尤其在夏季很容易產生溫度過高的情況。綜合利用超聲波檢測技術和檢修維護平臺，可以整體拆下交流器功率單元模塊，通過清理積累的灰塵，在超聲波振動槽中放置，可以深度清洗功率單元的散熱片，同時利用水循環過濾器收集清洗出來的污垢。完成清洗工作之后可以開展熱風循環，快速蒸發功率模塊附著的液體。深度清理功率單元之后，可以利用IGBT驅動測試系統測試功率單元組件，檢測脈沖信號的正常性，如果可以滿足設備要求，可以直接安裝變流器。如果沒有通過功率單元功能測試，可以利用測試系統單獨檢測母線排和電容硬件性能，及時分析故障發生的原因。

4 風電變流器預防性維護檢測方案

4.1 斷路器

斷路器可以保護風電機組和電網線路連接，有利于保護整個機組。主斷路器還可以發揮計數功能，因為發生故障之后斷路器可以分斷大電流，因此降低內部絕緣性，只能參考動作次數，可以選用紅外技術檢測內部動靜觸頭和外部接頭的溫度，從而確定接觸效果，通過利用超聲波檢測技術可以確定斷路器滅弧室是否存在放電問題。

4.2 熔斷器

在風電變流器多個部位設置熔斷器，如果發生過負荷發熱問題可以快速熔斷，避免擴散故障。如果長時間使用熔斷器，將會引發腐蝕和氧化等問題，會改變熔體特性。因為受潮而損壞滅弧性能，降低其分斷電流能力，在紅外檢測過程中，因為熔斷器和熔體表面的溫度值通常是超過正常值的，可以合理提取正常值，比較相鄰熔斷器。也可以利用超聲波檢測技術檢測熔斷器接線端子，確定是否存在局部放電問題[9]。

4.3 接觸器

可以利用交流接觸器頻繁接通和分段交流電路，如果供電電壓比較高，因為頻繁操作將會影響接觸器鐵芯斷面的平整性，接觸器動鐵芯發生機械故障，如果內部觸頭接觸效果較差，將會引發觸點過熱問題，可以利用紅外熱像儀全面檢測內部發生的過熱故障，根據溫度場分布情況開展診斷工作。

因為風電機組在實際運行過程中頻繁地操作接觸器，在斷開和閉合內部觸點的時候會產生氣隙擊穿和火花等問題，最終引發燒蝕和損傷等，甚至會燒毀接觸器。可以利用超聲波探測儀器全面監測，精確定位發生故障的部位，為檢修工作提供參考數據。

4.4 電阻器

在風電交流器中設置預充電電阻，實現直流母線預充電，為了保障風電機組并網運行，可以在低電壓穿越回路中設置電阻器，發揮機組保護作用。如果電阻器出現接觸不良等問題，可以利用紅外熱成像技術完成檢測工作。

4.5 電抗器

在風電變流器的機側和網側安裝電抗器，在運行過程中發生電路過流和過壓等問題將會損壞電抗器。電抗器高溫部位很容易發生損壞問題，這是因為外部環境因素的影響，將會劣化絕緣材料和絕緣結構，因此需要利用紅外成像技術預測性評估溫度分布情況。還可以利用超聲波檢測技術提前預警電抗器漏電現象。

5 結論

風電變流器的工作條件和工作環境非常復雜，因此在實際運行過程中存在各種問題，威脅整個機組運行的安全性，因此需要利用風電變流器預防性維護檢測技術，結合實際情況利用紅外檢測技術和超聲波檢測技術，及時發現風電變流器的隱患問題。