風電場電氣運行常見故障及處理方法

上海能源科技發展有限公司 孫建鵬

在雙碳能源體系的建設規劃中，風電光伏作為綠色清潔能源，其能源開發技術的創新與發展受到廣泛關注，以風力、太陽能等為代表的新能源也成為了支持電力生產的重要能源基礎。

風能的大規模開發與利用，在促進了電力生產、輸送、控制相關技術發展的同時，也對機組容量、設備運行周期、檢修維護投入等提出了更高的要求。為保證大容量、高速性電氣系統的安全、穩定運維，風電機組管理與監測相關單位應深入、全面分析電氣系統全過程運行狀態，及時排查故障異常問題，通過合理制定預防管控對策、完善日常檢修管理制度、選擇科學的故障處理方案等舉措，最大限度的降低故障異常對機電運行質效的影響，為風電場可持續、高效化發展保駕護航。

當前階段，低碳環保、可持續發展戰略的全面實行，使得百萬千瓦級風力發電場的建設數量逐年上漲，陸上風電和海上風電能源網絡亦不斷完善，風電產業鏈進入市場化、規?；l展階段，推動風能高效、穩定利用，成為有效貫徹雙碳戰略的重要舉措[1]。

大規模、智能化風電能源體系的網格化建設，對風電場電氣運維系統安全管理的要求也更嚴格。針對電氣主控程序、齒輪箱、變槳、發電機、葉片等控制系統與部件的常見故障問題，制定科學性、靈活性的應急處理對策，可有效控制故障的影響，并根據狀態監測、日常檢測的反饋，對常規檢修與維護機制進行優化調整，為風險機組的高效、穩定運行提供可靠的保障。

1 風電機組運維常見故障及具體診斷模式

在風電機組的實際運維管理環節，風電場主要通過日常巡檢、定期維護、在線監測等方式對故障異常問題進行排查。風電機組主要由主控系統、齒輪箱、變槳、發電設備、葉片等部件構成，在檢修過程中應圍繞異常信息反饋、故障報警情況不同對設備性能進行對比分析，采用針對性的檢修方法控制故障影響，提高機組安全維護效率[2]。

1.1 主控系統異常問題表現與故障診斷

主控系統作為風電機組的核心控制程序，借助大數據、人工智能等技術，對風機不同設備的運行邏輯進行判斷，下達控制指令，實現自動化、智能化控制目標。當前風機控制搭設的自動化系統以PLC 程序為主，系統運維過程中常見的故障問題分為系統自身運維控制故障與外部故障。其中PLC 控制模塊的故障異常表現為模擬量、數字量信號輸出/輸入無顯示或顯示不正常、指示燈無反應等。針對該種故障情況，需要重新啟動程序對異常位置進行排查。

系統外部故障的檢測需根據SCADA 系統監控報警信息反饋情況，結合代碼秒速找準設備故障的具體位置。在日常檢修、維護工作中應注重主控系統的故障預警提示，制定應急管理對策，接收警報后應第一時間啟動故障應急處理方案，降低安全事故風險影響[3]。

1.2 齒輪箱故障表現與診斷技術

齒輪箱的安裝位置在風機的機艙內部，是雙饋機組傳動鏈系統的重要部件，連接了發電設備與主軸，具有結構復雜、精密的特征，不同位置的受力情況差異較大，在同一運行條件下齒輪箱各構件的載荷不同，容易出現部件失效問題。齒輪箱的故障問題主要分為軸承故障、齒輪故障兩種，前者主要表現為部件磨損、裂縫、外層剝落等；后者表現為齒輪斷裂、齒面疲勞、表面粘著等。

在對齒輪箱進行狀態檢測時，振動檢測由于適用范圍廣、對風機運行影響小、經濟實用等優勢，是最為常見、有效的檢測技術，可有效檢測出齒輪與軸承等部件的運行性能。在檢測齒輪箱中心孔、管道線路、冷卻設備時，主要測試其密封性是否符合使用標準，及時排查部件破損、變形、漏油等故障問題。同時，還需定期用內窺鏡對噴油管、排氣管、彈性支承等構件進行觀察，做好精密機械的常規保養、維修工作。

1.3 變槳系統與接線電纜故障常見類型與診斷技術

變槳系統屬于風機運行系統的基礎動力執行裝置，通過轉速控制利用風能生產電力，同時也是保證電氣系統安全、穩定運行的重要設備。當系統承受超出標準范圍內的風力作用時，變槳裝置可在主系統的控制下進行收槳操作，保護風機設備。變槳裝置具有器件構成數量多、運行結構精密、力矩與部件間連接緊固性要求高等特點，故障發生的頻次也相對較高。

變槳系統出現故障的主要原因包括電氣問題、機械問題。在檢修維護方案中，電氣故障檢修模式分為手動測試、急停測試、電池狀態檢查、充電回路檢修等。機械故障檢修包括軸承密閉性檢修、潤滑性檢測、變槳電機、變槳軸承密封性、潤滑油系統檢查等。

接線類故障也是風機系統常見的故障問題，風電機組接線故障檢測按照技術應用的不同可分為接地斷線與非接地短路。在接地斷線類系統故障問題發生時，需對接地線路的絕緣情況進行檢測，檢驗出絕緣電阻參數后，關閉斷路設備、隔離檢測位置電纜進行驗電，全部檢測項目結束后進行放電。非接地短路的系統故障的排查需采用分段檢驗的方式，故障多發于電纜接頭位置，在檢測接線箱、開關柜等電纜接頭情況時，需要在接地處標記，便于后期統計檢驗結果[4]。

1.4 發電設備故障問題與診斷方法

風機發電的原理是由風能作用于葉片上，葉片轉動帶動主軸部件旋轉推動傳動設備運行，將風力動能轉換為電能。在這一過程中，為提升風能整體利用效率，風電設備需在寬闊的要室外裝設運行，易受氣溫變化、大風天氣、沙塵災害等環境條件的影響，導致發電設備出現軸承運行過熱、線圈短路與斷路、機械部件過度磨損、管線絕緣外皮破損等問題。

據風機發電設備故障數據相關統計，發電設備發生故障的頻次占據總故障數量的5.5%；發電設備故障導致的停機時長占據總停機時長8.9%；發電機軸承故障率在發電設備整體故障總數中占40%、定子故障達到38%。按照發電機的故障特征，通常所使用的診斷方式為分析轉子/定子電流信號、電壓情況和輸出功率反饋數據判斷故障點，合理選擇部件更換、維修方案。

1.5 葉片常見故障和診斷方法

葉片是風電機組用于捕捉風能的構件，設備運維性能直接影響到電力生產的質量。在系統運行的過程中，風機的葉片暴露在室外環境中，空氣中的水分子、化學物質、粉塵顆粒等容易對葉片造成腐蝕侵害影響。此外，外界雷擊、降雨、降雪等氣候也會對葉片質量產生影響，長期處于高負荷運轉狀態下，葉片連接位置也易出現松動、變形、開裂等問題。長此以往，惡劣的環境不僅會影響葉片對風能的轉換效率，嚴重情況下甚至會出現轉子故障問題，導致風機頻繁出現顫動情況。很多風機的較大故障并非偶然也不是一下造成的，而是當風機偏離原來的設計指標或發生小故障后沒有引起足夠重視，使得故障影響逐步積累，沒有及時預防與控制，最終導致重大安全事故的發生。

現階段葉片部件的檢測主要包括紅外線無損檢測、應力檢測等。紅外線檢測是利用不同檢測目標溫度分布紅外成像圖像的分析，對葉片表面是否存在裂紋、變形、剝落等情況進行分析，通過圖像數據的對比，找準故障可能出現的位置，為后續維修工作提供支持。應力測試是指將葉片材料在不同應力環境下的變化參數記錄起來，分析故障表現。此外還可在葉片上裝設除冰設備，提高地位環境中葉片運行的適應性，控制低溫影響。

2 提升風機故障處理質效的實踐策略

2.1 深入分析風機不同部件故障原因，做好故障風險防控工作

在雙碳目標下，為了進一步提升風能清潔能源的利用質效、降低風機系統該故障發生的頻次，風電系統管理單位應提高風險防范意識，加強防護系統的建設。

風電場需根據實際建設情況，綜合考慮影響風機運行狀態的各項因素，全面、深入掌握風機故障的常見誘因，分析風機機械故障、控制系統故障的具體表現，做好系統防護工作。如，為預防設備、線路遭受雷擊，可預先安裝防雷系統降低雷擊風險；科學規劃電路的鋪設路線。在鋪設施工前，通過實地勘察、數據建模、查詢歷史數據、統計分析線路情況等設計準備工作，合理制定鋪設方案，避免出現不必要的錯誤，技術人員要對線路進行全面的檢查和質量控制，保證工程的質量滿足要求。

從長效發展、穩定運維管理的層面出發，合理制定應急管理方案。組建專業的檢修、養護隊伍，積極培育、引進高素質、實踐型技術人才，增強風機運行機組異常排查、故障檢修的工作質效。

與此同時，搭建起高效、實時的電氣系統運行在線監管平臺，利用大數據分析、人工智能識別、云計算等現代技術評估系統運行狀況，并且及時、準確的對可能發生的故障問題進行預測分析，及時進行替換、修復，從源頭把控風機運維可能出現的風險。

2.2 科學規劃，采用針對性的故障排查與處理對策

風機系統運維管理單位收到異常預警或故障報修相關報告時，應在第一時間對異常問題進行檢測，根據異常表現確定故障原因后，采用針對性的維修處理手段，避免故障影響擴散。以風電機組異常聲響情況的檢修與處理為例，首先需技術人員判斷異響發生的位置，找準故障發生的具體位置，觀察是否連接部分出現螺絲松脫、進入異物等情況，如是由螺絲松動產生異響，需及時用工具進行加固。如螺絲未出現松動、脫落情況，則需對風機構件連接處是否存在進入異物的情況，如存在摩擦力增加的現象應及時進行清理。

如故障類型不屬于以上幾種，需進一步進行深入檢測，將電機外殼打開對電機軸承位置進行觀察，發現構件出現破損或位移、變形等情況時，需及時對構件進行維修、更換處理。

2.3 完善制度，明確風機系統管理與維護的職責

隨著我國現代能源建設體系的不斷完善，大規模、高容量風電場的建設數量大幅度增加，風電電氣運行系統的安全管理要求逐步提升。為最大限度控制風機運行過程中的安全風險，相關運行管理單位不僅需要貫徹風險預控的原則，制定針對性的應急管理對策，做好故障原因、表現的分析、梳理工作，同時還需完善相關檢修、養護、故障處理規范制度。

具體來說：一方面應明確劃分系統操控、檢修管理、常規維護等不同崗位的具體管理職責，按照設備安全使用周期定期對部件進行更換，保證電氣系統能長期處于穩定運維的狀態；另一方面檢修與維護相關管理單位應及時、動態地了解風力發電領域的前沿技術，加強先進技術成果的引進與推廣，在不斷優化風電機組檢修設備、技術配置的基礎上，完善電氣控制系統在線監測、智能識別、風險分析等功能，全面提升風電機組的控制與管理質效。

應定期檢查和消除控制系統電源、信號、網絡回路的端子排積灰、配線和電纜接插件松動和過熱現象，嚴格按照系統運行要求對異常報警等級進行劃分，依照故障影響的輕重程度啟動對應等級的處理對策。

3 結語

風力作為清潔型、環保型的綠色能源，在“3060碳達峰、碳中和”戰略全面實行背景下，在新能源電力生產領域的應用范圍不斷拓寬，成為現代能源可持續開發產業的重要建設項目。風電場運用風電機組對風力進行轉換的過程中，由于自然風力存在不穩定的特點，風電機組承受的荷載壓力情況也有所差異，設備運行管理的難度相對較大。為保證風力發電的效率性、可靠性，風電場需在加強故障風險排查與防范管理的同時，制定針對性、靈活性的系統檢修與維護對策，注重常規性狀態監測與養護工作，嚴格把控安全風險，為風電場電力高效、安全生產提供保障。