風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)故障率高原因探討及解決方案

摘 要：老舊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍存在發(fā)電機(jī)故障率高的問題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁停機(jī)，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)運行，降低發(fā)電量，甚至還會影響風(fēng)機(jī)運行安全和發(fā)電機(jī)使用壽命。現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，對雙饋異步發(fā)電機(jī)常見的散熱系統(tǒng)故障、機(jī)械結(jié)構(gòu)故障進(jìn)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(jī)可靠運行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);故障;原因;解決方案

中圖分類號：TK83? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.018

0? ? 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，在眾多早期服役的風(fēng)電機(jī)組中，1.5 MW風(fēng)機(jī)是主力機(jī)型，該容量的風(fēng)電機(jī)組通常采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，設(shè)備運行時間多在10～15年，隨著服役年限增加，這些機(jī)組無論是國產(chǎn)的還是進(jìn)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(jī)組可利用率和風(fēng)電場生產(chǎn)效益的問題。

發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電機(jī)組核心大部件之一，負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)故障是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組頻繁停機(jī)的常見故障，發(fā)電機(jī)故障率高將嚴(yán)重影響風(fēng)電場發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益。深入分析發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)故障、機(jī)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(jī)可靠運行具有重要意義。

1? ? 發(fā)電機(jī)常見故障形式

某風(fēng)電場共66臺風(fēng)機(jī)，2010年投入運營，風(fēng)電機(jī)組采用1.5 MW雙饋異步發(fā)電機(jī)，散熱系統(tǒng)采用背包式空空冷卻裝置[1]，發(fā)電機(jī)常見的故障形式分為散熱系統(tǒng)故障和機(jī)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(jī)定子繞組溫度過高，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子接頭過熱，發(fā)電機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)故障主要包括發(fā)電機(jī)軸承損壞，轉(zhuǎn)子過橋線、引出線損壞。

2? ? 發(fā)電機(jī)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(jī)、物、法、環(huán)等方面進(jìn)行多維度分析。

2.1? ? 發(fā)電機(jī)繞組溫度故障停機(jī)閾值存在提升空間

經(jīng)查，該風(fēng)電場發(fā)電機(jī)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(jī)定子繞組溫度主控設(shè)置報警閾值為130 ℃，故障停機(jī)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(fēng)機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)。

發(fā)電機(jī)連續(xù)滿發(fā)運行3～4 h后繞組溫度才能達(dá)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(jìn)行了12個月的驗證，大部分發(fā)電機(jī)持續(xù)滿發(fā)時繞組溫度能夠達(dá)到熱平衡且不再上升，繞組溫度未超過155 ℃故障停機(jī)閾值，避免了故障停機(jī)損失。針對仍然出現(xiàn)繞組過溫故障的少數(shù)發(fā)電機(jī)，風(fēng)電場采取下架返廠維修的措施，由專業(yè)的發(fā)電機(jī)廠家進(jìn)行拆解和溫升試驗，確定故障原因并進(jìn)行維修。

2.2? ? 發(fā)電機(jī)繞組溫度漂移

發(fā)電機(jī)繞組溫度依靠Pt100傳感器進(jìn)行測量，Pt100的穩(wěn)定性決定了測量溫度的準(zhǔn)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(yán)重程度和運行工況相關(guān)，發(fā)電機(jī)在停機(jī)情況下三相繞組溫度和機(jī)艙溫度接近，溫度漂移不明顯;發(fā)電機(jī)運行功率和溫度越高，溫度漂移越嚴(yán)重。

解決方案：發(fā)電機(jī)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(jī)。如果有兩相及以上繞組溫度存在漂移問題，需在發(fā)電機(jī)定子繞組端部額外加裝Pt100。在發(fā)電機(jī)驅(qū)動端U、V、W三相各加裝1個Pt100，發(fā)電機(jī)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(bǔ)償值，以反映原有鐵芯內(nèi)部的溫度，基于全負(fù)載試驗滿發(fā)條件下得到的結(jié)果，補(bǔ)償值在10～15 K。

2.3? ? 發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電纜溫度開關(guān)選擇不合理

根據(jù)發(fā)電機(jī)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(fēng)電場共有13臺風(fēng)機(jī)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(fēng)電場配合半年檢或年檢的機(jī)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(jī)散熱能力不足，空冷器內(nèi)部管路污染

在發(fā)電機(jī)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(jī)表面，并通過強(qiáng)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(jī)艙內(nèi)，多數(shù)熱量被發(fā)電機(jī)上的冷卻器帶走。該風(fēng)電場采用空空冷卻器對發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱，冷卻器靠軸流風(fēng)扇帶動空氣流動，風(fēng)冷機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)的好壞將直接影響發(fā)電機(jī)的冷卻效果。風(fēng)路是否順暢，能否帶走發(fā)電機(jī)各個發(fā)熱部位的熱量，對發(fā)電機(jī)的性能有很大影響[3]。

檢查發(fā)電機(jī)用戶手冊可知，電機(jī)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(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力。

該風(fēng)電場發(fā)電機(jī)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(jī)散熱性能。

解決方案：通過增加外風(fēng)路的風(fēng)量，提高發(fā)電機(jī)散熱能力。對于散熱軸流風(fēng)扇，可采用簡易的外風(fēng)量測試方法，從風(fēng)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(fēng)速儀測量各測點的風(fēng)速，并求得平均風(fēng)速，平均風(fēng)速乘以風(fēng)扇的截面積得到風(fēng)量。將同品牌同型號的發(fā)電機(jī)散熱風(fēng)扇風(fēng)量測量值進(jìn)行對比，選擇風(fēng)量值較低的發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱風(fēng)扇技改，更換更大功率、轉(zhuǎn)速的散熱風(fēng)扇，提高發(fā)電機(jī)散熱能力。需要注意的是，塔上更換散熱風(fēng)扇時，需要提前測量風(fēng)機(jī)機(jī)艙吊裝口的尺寸，避免新風(fēng)扇尺寸過大無法通過機(jī)艙吊裝口，新風(fēng)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(fēng)扇替代舊的單軸流風(fēng)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(jī)排風(fēng)罩破損、塌陷

發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)將熱量通過尾部排風(fēng)罩排放至外界空氣，尾部排風(fēng)罩采用塑膠材質(zhì)，鋼箍纏繞固定。發(fā)電機(jī)高速運轉(zhuǎn)并產(chǎn)生振動和熱量，排風(fēng)罩長時間工作在振動、高溫環(huán)境下容易破損和脫落，排風(fēng)罩一旦破損，熱量會通過排風(fēng)罩破損的孔洞排放至機(jī)艙內(nèi)，使機(jī)艙溫度升高，機(jī)艙溫升會引起傳動鏈潤滑水平下降、管線加速老化等嚴(yán)重問題[4]，直接導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)部發(fā)電機(jī)、齒輪箱等大部件散熱條件變差，嚴(yán)重時會造成發(fā)電機(jī)過溫故障。現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn)部分發(fā)電機(jī)排風(fēng)罩尺寸過長，導(dǎo)致排風(fēng)罩轉(zhuǎn)彎半徑過大并產(chǎn)生塌陷，降低了排風(fēng)罩內(nèi)部的通風(fēng)面積，影響熱空氣流動。

解決方案：更換合適尺寸的排風(fēng)罩。需要注意的是，排風(fēng)罩尺寸過長或過短均不利于散熱，過長會導(dǎo)致排風(fēng)罩塌陷，過短會增加固定端的受力，容易使排風(fēng)罩破損和脫落。排風(fēng)罩轉(zhuǎn)彎半徑的最低點應(yīng)落在空冷器熱風(fēng)流動的方向上。

2.6? ? 發(fā)電機(jī)軸承自動潤滑系統(tǒng)損壞

發(fā)電機(jī)軸承采用自動潤滑系統(tǒng)，部分發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)軸電流造成軸承電腐蝕

在定期檢查時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸承存在異響，檢查發(fā)電機(jī)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(jī)軸承失效，原因是軸電流造成電腐蝕。雙饋異步發(fā)電機(jī)采用變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供高頻切換的電壓脈沖，因此在軸、兩端軸承和機(jī)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(jī)磁場不對稱這兩種情況也會使發(fā)電機(jī)軸帶電[5]。軸電壓雖然微小，但當(dāng)量值達(dá)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(jī)定子機(jī)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(jī)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(jī)集碳盒破損

發(fā)電機(jī)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(jī)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(fēng)電設(shè)備的絕緣性能。

2.9? ? 發(fā)電機(jī)過橋線、引出線損壞

部分發(fā)電機(jī)出現(xiàn)并網(wǎng)失敗、轉(zhuǎn)子開路的情況，發(fā)電機(jī)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(jī)鐵芯變形，致使發(fā)電機(jī)報廢。

解決方案：目前已有成熟可靠的對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)極間連線及轉(zhuǎn)子引出線進(jìn)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(jī)進(jìn)行深度保養(yǎng)，維護(hù)或更換運行狀態(tài)不良的軸承和附件，提高發(fā)電機(jī)的運行可靠性，從而減少發(fā)電量損失。

3? ? 改進(jìn)后效果分析

該風(fēng)電場通過為期一年的發(fā)電機(jī)故障專項治理，實施上述解決方案并進(jìn)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(jī)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(jī)運行可靠性得到明顯提升，保障了風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

4? ? 結(jié)語

本文通過對老舊機(jī)組發(fā)電機(jī)故障原因進(jìn)行分析，提出了針對性解決方案，即采取發(fā)電機(jī)繞組溫度控制參數(shù)調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)散熱風(fēng)扇塔上技改、發(fā)電機(jī)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(jī)故障率，從而減少風(fēng)電場運維成本，提升發(fā)電效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 黃剛，徐立.2 MW級低風(fēng)速區(qū)雙饋風(fēng)電機(jī)組主發(fā)電機(jī)用高效空空冷卻裝置的研究[J].機(jī)電信息，2018（21）：61-62.

[2] WILDI T.Electrical Machines，Drives and Power Systems[M].6th ed. State of New Jersey：Pearson，2013.

[3] 元偉偉.風(fēng)力發(fā)電冷卻系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[4] 孫德濱.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙溫度場分析與熱布局優(yōu)化方法研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

[5] 劉瑞華，胥佳，胡鵬，等.雙饋式風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承故障淺析[C]//2012年中國電機(jī)工程學(xué)會年會論文集，2012：1-6.

[6] 趙美茹，王鑫.1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過橋線和引出線的斷裂[J].電機(jī)技術(shù)，2017（6）：43-46.

收稿日期：2022-01-11

作者簡介：李琰（1988—），男，河北石家莊人，碩士研究生，工程師，主要從事風(fēng)電后市場服務(wù)產(chǎn)品及技術(shù)改造產(chǎn)品的研發(fā)、推廣工作。