風電機組發電機故障率高原因探討及解決方案

　　摘 要：老舊風力發電機組普遍存在發電機故障率高的問題，導致風機頻繁停機，嚴重影響風機運行，降低發電量，甚至還會影響風機運行安全和發電機使用壽命。現結合現場經驗，對雙饋異步發電機常見的散熱系統故障、機械結構故障進行分析，深入探討故障原因并提出解決方案，以保障發電機可靠運行。

　　關鍵詞：風力發電機;故障;原因;解決方案

　　0 引言

　　隨著風電行業的快速發展，風電機組裝機容量和規模不斷擴大，在眾多早期服役的風電機組中，1.5 MW風機是主力機型，該容量的風電機組通常采用雙饋異步發電機，設備運行時間多在10～15年，隨著服役年限增加，這些機組無論是國產的還是進口的，都面臨著設備老化、備件停產、運行故障率高等一系列影響機組可利用率和風電場生產效益的問題。發電機作為風電機組核心大部件之一，負責將機械能轉化為電能，發電機故障是導致風電機組頻繁停機的常見故障，發電機故障率高將嚴重影響風電場發電量和經濟效益。深入分析發電機散熱系統故障、機械結構故障產生原因和失效模式，提出解決方案和技改措施，對保證發電機可靠運行具有重要意義。

　　1 發電機常見故障形式

　　某風電場共66臺風機，2010年投入運營，風電機組采用1.5 MW雙饋異步發電機，散熱系統采用背包式空空冷卻裝置[1]，發電機常見的故障形式分為散熱系統故障和機械結構故障，且散熱系統故障的損失電量和故障次數占比較大。散熱系統故障主要包括發電機定子繞組溫度過高，發電機定轉子接頭過熱，發電機前后軸承溫度高。定子繞組溫度由安裝在定子鐵芯的Pt100測量，定轉子接頭溫度由安裝在定子和轉子接線箱內部動力電纜上的溫度開關測量，軸承溫度由安裝在軸承端蓋處的Pt100測量。機械結構故障主要包括發電機軸承損壞，轉子過橋線、引出線損壞。

　　2 發電機故障原因分析及解決方案

　　根據現場踏勘和檢查結果，結合故障時刻的數據特征，采用根因分析的方法，從人、機、物、法、環等方面進行多維度分析。

　　2.1 發電機繞組溫度故障停機閾值存在提升空間經查，該風電場發電機繞組絕緣等級為H級，允許的最大工作溫度為180 ℃，溫升限度為130 K。目前發電機定子繞組溫度主控設置報警閾值為130 ℃，故障停機閾值為140 ℃，定子繞組溫度設定值仍有10～20 ℃的提升空間。解決方案：經過原風機廠家設計論證和書面同意后，選擇若干臺繞組過溫故障發電機進行主控參數調整，將繞組過溫報警閾值調整到148 ℃，故障停機閾值調整到155 ℃，避免繞組溫度超過舊的故障閾值造成停機。

　　發電機連續滿發運行3～4 h后繞組溫度才能達到熱平衡，熱平衡之后，繞組溫度趨于穩定而不再升高。在調整主控參數之后進行了12個月的驗證，大部分發電機持續滿發時繞組溫度能夠達到熱平衡且不再上升，繞組溫度未超過155 ℃故障停機閾值，避免了故障停機損失。針對仍然出現繞組過溫故障的少數發電機，風電場采取下架返廠維修的措施，由專業的發電機廠家進行拆解和溫升試驗，確定故障原因并進行維修。

　　2.2 發電機繞組溫度漂移發電機繞組溫度依靠Pt100傳感器進行測量，Pt100的穩定性決定了測量溫度的準確性，在實際使用過程中，由于工作環境、使用時長等因素的影響，Pt100會發生溫度跳變、漂移等一系列故障，導致測量溫度出現異常。Pt100溫度漂移的嚴重程度和運行工況相關，發電機在停機情況下三相繞組溫度和機艙溫度接近，溫度漂移不明顯;發電機運行功率和溫度越高，溫度漂移越嚴重。解決方案：發電機原有的繞組測溫Pt100安裝在定子鐵芯內部，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。如果有兩相及以上繞組溫度存在漂移問題，需在發電機定子繞組端部額外加裝Pt100。在發電機驅動端U、V、W三相各加裝1個Pt100，發電機非驅動端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需增加一個溫度補償值，以反映原有鐵芯內部的溫度，基于全負載試驗滿發條件下得到的結果，補償值在10～15 K。

　　2.3 發電機定轉子電纜溫度開關選擇不合理根據發電機定轉子電纜絕緣材料性能的要求，電纜最高工作溫度為90 ℃，電纜溫度開關閾值設定在85 ℃較為合理。經過現場勘察，目前該風電場共有13臺風機定子電纜溫度開關閾值設置為60 ℃，閾值偏低，容易觸發報警。因此，風電場配合半年檢或年檢的機會，將60 ℃的溫度開關全部更換為85 ℃的溫度開關。

　　2.4 發電機散熱能力不足，空冷器內部管路污染在發電機運行過程中，散熱分為熱傳導、熱對流、熱輻射3種方式[2]，繞組和鐵芯損耗產生的熱量通過熱傳導傳遞到電機表面，并通過強制對流的方法將熱量帶走，除少部分熱量通過熱輻射散發到機艙內，多數熱量被發電機上的冷卻器帶走。該風電場采用空空冷卻器對發電機進行散熱，冷卻器靠軸流風扇帶動空氣流動，風冷機組通風系統的好壞將直接影響發電機的冷卻效果。風路是否順暢，能否帶走發電機各個發熱部位的熱量，對發電機的性能有很大影響[3]。

　　檢查發電機用戶手冊可知，電機適用于海拔≤1 000 m的高度，設計能力不滿足現場平均高度2 117 m的要求，需要提升發電機冷卻系統散熱能力。該風電場發電機服役年限超過10年，空冷器內部散熱管路上灰塵和油氣較多，導致熱交換能力下降，內部熱量無法有效被外部冷空氣帶走，影響發電機散熱性能。解決方案：通過增加外風路的風量，提高發電機散熱能力。對于散熱軸流風扇，可采用簡易的外風量測試方法，從風扇中心開始，沿著外徑方向按照相同的間距選擇5～8個測點，用手持式風速儀測量各測點的風速，并求得平均風速，平均風速乘以風扇的截面積得到風量。

　　將同品牌同型號的發電機散熱風扇風量測量值進行對比，選擇風量值較低的發電機進行散熱風扇技改，更換更大功率、轉速的散熱風扇，提高發電機散熱能力。需要注意的是，塔上更換散熱風扇時，需要提前測量風機機艙吊裝口的尺寸，避免新風扇尺寸過大無法通過機艙吊裝口，新風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扇替代舊的單軸流風扇。針對空冷器內部管路污染問題，由于空冷器管路塔上清洗不易實現，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 發電機排風罩破損、塌陷發電機冷卻系統將熱量通過尾部排風罩排放至外界空氣，尾部排風罩采用塑膠材質，鋼箍纏繞固定。發電機高速運轉并產生振動和熱量，排風罩長時間工作在振動、高溫環境下容易破損和脫落，排風罩一旦破損，熱量會通過排風罩破損的孔洞排放至機艙內，使機艙溫度升高，機艙溫升會引起傳動鏈潤滑水平下降、管線加速老化等嚴重問題[4]，直接導致機艙內部發電機、齒輪箱等大部件散熱條件變差，嚴重時會造成發電機過溫故障。

　　現場踏勘時發現部分發電機排風罩尺寸過長，導致排風罩轉彎半徑過大并產生塌陷，降低了排風罩內部的通風面積，影響熱空氣流動。解決方案：更換合適尺寸的排風罩。需要注意的是，排風罩尺寸過長或過短均不利于散熱，過長會導致排風罩塌陷，過短會增加固定端的受力，容易使排風罩破損和脫落。排風罩轉彎半徑的最低點應落在空冷器熱風流動的方向上。

　　2.6 發電機軸承自動潤滑系統損壞發電機軸承采用自動潤滑系統，部分發電機軸承自動注油泵已經損壞，導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致溫度升高。該發電機的自動潤滑系統型號較老，信號未能接入主控系統。解決方案：針對自動潤滑系統損壞的情況，采用手動注油的方法，按照發電機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電機自動潤滑系統，潤滑系統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。

　　2.7 發電機軸電流造成軸承電腐蝕

　　在定期檢查時發現發電機軸承存在異響，檢查發電機潤滑和對中情況并無異常，將軸承拆下后發現內圈存在等間距的“搓衣板”紋路，判斷為發電機軸承失效，原因是軸電流造成電腐蝕。雙饋異步發電機采用變頻器向發電機轉子提供高頻切換的電壓脈沖，因此在軸、兩端軸承和機座的環路中產生了高頻環流，且軸承轉動過程中產生的靜電放電及發電機磁場不對稱這兩種情況也會使發電機軸帶電[5]。軸電壓雖然微小，但當量值達到足以擊穿軸承潤滑油膜時，瞬間將依次經過軸承內圈、滾動體、外圈與電機定子機座構成回路(過電流)并產生電火花。

　　一旦出現過電流現象，軸承滾道或滾動體在電流導通區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”和“阻隔”的方法避免軸電流對軸承的損傷。一方面，在發電機前軸承加裝接地碳刷，疏導軸電流直接流向接地系統;另一方面，使用絕緣軸承或絕緣端蓋阻擋軸電流經過軸承產生回路。

　　2.8 發電機集碳盒破損發電機碳刷磨損產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。定期對發電機檢查時發現個別集碳盒存在輕微變形和破損，導致少量碳粉溢出。工作人員應及時清理碳粉，并更換新的集碳盒和濾棉，避免碳粉破壞風電設備的絕緣性能。

　　2.9 發電機過橋線、引出線損壞部分發電機出現并網失敗、轉子開路的情況，發電機需下塔維修。故障均為轉子過橋線斷裂造成轉子繞組匝間絕緣損壞或轉子引出線斷裂，導致轉子端部甩開與定子繞組摩擦，造成發電機鐵芯變形，致使發電機報廢。

　　解決方案：目前已有成熟可靠的對發電機轉子側極間連線及轉子引出線進行技改的方案，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，減少轉子電纜離心力帶來的應力集中[6]。技改的同時對發電機進行深度保養，維護或更換運行狀態不良的軸承和附件，提高發電機的運行可靠性，從而減少發電量損失。

　　3 改進后效果分析

　　該風電場通過為期一年的發電機故障專項治理，實施上述解決方案并進行了效果驗證。驗證分為小批量驗證及批量驗證，根據2021年全年數據統計，發電機故障損失電量同比降低53%，故障次數同比降低70%，發電機運行可靠性得到明顯提升，保障了風電機組的安全穩定運行。

　　4 結語

　　本文通過對老舊機組發電機故障原因進行分析，提出了針對性解決方案，即采取發電機繞組溫度控制參數調節、發電機散熱風扇塔上技改、發電機定轉子電纜溫度開關更換等技改措施，可明顯降低發電機故障率，從而減少風電場運維成本，提升發電效益。

　　[參考文獻]

　　[1] 黃剛，徐立.2 MW級低風速區雙饋風電機組主發電機用高效空空冷卻裝置的研究 [J].機電信息，2018(21)：61-62.

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

　　[3] 元偉偉.風力發電冷卻系統研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

　　[4] 孫德濱.風力發電機組機艙溫度場分析與熱布局優化方法研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2017.

　　[5] 劉瑞華，胥佳，胡鵬，等.雙饋式風電機組發電機軸承故障淺析[C]//2012年中國電機工程學會年會論文集，2012：1-6.

　　[6] 趙美茹，王鑫.1.5 MW雙饋風力發電機轉子過橋線和引出線的斷裂[J].電機技術，2017(6)：43-46.

　　作者：李 琰

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