空冷式风力发电机冷却风机故障分析

张莹博，武春晓，潘磊，张启应

（国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

空冷式风力发电机冷却风机故障分析

张莹博，武春晓，潘磊，张启应

（国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

本文简述了风电机组中发电机冷却风机的损坏故障问题，统计了冷却风机损坏故障的种类，着重分析了由于异步电机缺相运行造成的故障。针对已经出现故障的4台冷却风机进行了现场拆解，分析具体故障原因。主要有四类原因，其中电机烧毁占据了故障中的主要部分，但是电机的机械故障和接线等问题引发的故障也不可忽视。本文针对以上故障原因提出了相应的解决措施。

空冷器； 故障； 风力发电机； 控制措施

0 引言

从“风力发电”概念的提出，到现在风电行业快速发展的时代已有一百多年的历史。从历史的发展来看，发电机的功率容量随着技术的发展逐渐增加，从开始的十几千瓦到现在的数兆瓦及数十兆瓦；发电机的类型也是多种多样，从开始的最初直接用于生产的直流发电机，到后来的异步发电机、直驱发电机以及技术更加先进的其他风力发电机类型。到目前为止，国内风电场使用最多的是1.5MW双馈式异步风力发电机。其中，应用最多的是空空式冷却双馈异步风力发电机[1-2]。空空式冷却双馈式风力发电机结构是在箱式机座上安装一个空空式冷却器，由蜗壳式冷却风机进行轴向通风与电机内部形成热交换的一种发电机类型，如图1所示。

双馈式风力发电机用空空冷却器，包括设置于电机箱上端的冷却器箱体和冷却风机，机箱两端分别设有冷却风机的进风口和出风口，冷却器箱体的一段设有回风口，冷却风机的进风口联通回风口，冷却器箱体内设有出风管、折流板和多根换热管，折流板竖直设置于冷却器箱体内将冷却箱体的中下部隔开，回风口位于折流板一侧，多根换热管水平设置于冷却箱体的中上部且部分穿过折流板，多根换热管一端连通出风口，另一端连通冷却风机，根据不同设计要求可以采用离心式风机，也可以采用轴流式风机。图2中显示的是轴流式冷却风机的冷却器外形图，图1中的冷却器采用的是离心式冷却风机。

从现场反馈的问题来看，冷却器的故障率为整个发电机故障的32%[3]，两种结构的风冷器结构的故障率问题已经成为不可忽视的严重问题。

1 主要故障

从本公司风力发电机故障率的分析数据得知，关于风力发电机冷却风机的主要故障种类有四种：冷却风机的电机烧毁问题、接线问题、机械结构问题和其他故障问题。冷却器的故障率如图3所示[3]。

冷却风机的电机烧毁问题占据了整个冷却器故障的86%，据分析，部分电机烧毁故障是由于一些机械故障引发，以下是对故障种类的详细说明。

1.1 冷却风机的电机烧毁

冷却风机的电机烧毁的原因有轴承损坏、叶轮损坏等原因造成的电机卡涩导致的电机烧毁。最重要的是由于电机的缺相运行造成的电机烧毁。

主回路开关电器接触不良、主回路发生短路、一相熔断器非故障形熔断或熔断器失去有效保护等原因都可能造成电机的缺相情况[4]。现在分析Y型接法和△型接法在缺相运行时的电流情况[5]：

Y型：当Y型接法的电动机一相断电后，其他两相绕组串联，如图4（a）所示。当电动机的负载功率不变时，则电动机正常运行时的额定电流为：

其中，Il为线电流；Ip为相电流；Ul为线电压；PN为额定功率；cosφ为功率因数；η为效率。

当缺相时，如A相断线，则A相电流为零，B、C两相电流相等且

由式（2）可知，在额定负载下，Y型接法的电机在缺相运行时的线电流是额定线电流的倍。长时间的运行，正常的绕组也会因过热而烧毁。

△型：对△型接线的电机一相断电后，三相定子绕组分为两路，一路为两相绕组串联，另一组仅有一相绕组，如图4（b）。设电动机的负载功率不变，则电动机正常运行时的额定电流Ip=PN/(3Ulcosφ∙η)，额定线电流为相断电后，设2#绕组相电流为Ip′，则两相绕组串联的相电流为Ip′/2，额定功率为：

由式（3）和式（4）分析可知，在额定负载下三角接线的电动机在缺相运行时的线电流为额定电流的倍；2#绕组和相电流为额定相电流的2倍；1#和3#绕组的相电流为额定电流。长时间的运行，2#绕组会因过热而烧毁。

图1 某厂家1.5MW空冷式双馈风力发电机

图2 某厂家1.5MW风力发电机用空冷器

图3 冷却器风机故障类型分布

图4 Y型接法和△型接法电机缺相运行电流分析

1.2 机械结构损坏

现场统计的故障中，有冷却风机的电机安装地脚断裂、安装螺栓断裂或松动、叶片断裂、轴承损坏现象。虽然机械故障不是主要部分，其他故障多数是由于机械原因产生，例如由于振动原因使电机轴承的损伤[6-7]，转动困难引起绕组烧毁；叶片断裂后卡死，导致绕组烧毁；地脚断裂及安装螺栓断裂导致振动问题引起其他损坏，最终导致绕组烧毁等。还有由于冷却风扇的动平衡问题最终导致的机械故障。

1.3 接线问题

冷却风机的电机接线问题主要出现在接线盒内。在现场反馈的问题中，风电机组运行过程中报冷却电机故障，经现场人员对其三相电阻测量，发现其中的两相电阻不正常，检查线路，拆开发电机侧接线盒，分别测量两个电机的相间电阻，未发现异常，检查接线，发现机舱柜侧电机接线盒内一相接线松动，紧固后再在机舱柜侧进行测量结果正常，因此确定由于发电机侧接线盒内接线松动导致其空开跳闸。

在实际中还有接线盒内的导线虚接现象，经过排查处理后，均可以正常运行。

1.4 其他故障

其他故障包括：由于安装等原因，会引起轴承的损坏；恶劣环境中一些风沙等进入冷却风机的电机中导致风电机组叶片损坏。这些问题最终也导致一些机械故障，或导致电机烧毁等问题。

2 实际冷却风机故障电机的拆解

发电机供应厂商将空空冷却器的4台故障冷却风机的电机进行了拆解，将电机按1#—4#进行编号，并一一检查电机的对地电阻、电机轴转动灵活性等，然后对电机进行拆解。

1#电机：运行时间8个月

故障现象：拆解前测量电机的对地电阻为0，拆解后发现该电机线圈有一处绕组烧毁，绕组已经击穿，电机内部干净整洁，电机轴承（型号为6205 RZ）无异常，端盖无异常。内部图片见图5。

故障定位：经分析故障定位为相间击穿。

原因分析：相间短路的原因是绕组端部相间绝缘有薄弱环节，在电机受热或受潮的情况下，这些部位绝缘下降，最后击穿形成相间短路。可能的原因有：（1）绕组受潮；（2）浸漆不良；（3）异物；（4）绕组绝缘受油、碱、化学腐蚀。

2#电机：运行时间11个月

故障现象：电机外带叶轮，六个叶片中已经损坏一片，将叶轮拆下后，测量电机对地绝缘电阻正常。拆开后电机内部有大量锈蚀灰尘，端盖锈蚀严重，经分析认为端盖锈蚀及电机内部锈蚀是该电机在出厂时电机机座和端盖内部未刷防锈漆导致。电机绕组颜色正常，但电机轴承润滑脂有烧干的迹象，后端盖波形弹簧圈磨损严重。

故障定位： 长时间运转，轴承工作温度过高，润滑脂烧干，润滑不足导致轴承不能正常工作。

原因分析：（1）固定端轴承采用挡圈定位外圈不合理。用手拨动叶轮有明显的窜动现象，在运行过程中有可能是波形弹簧磨损。（2）电机轴承润滑脂烧干而且无法进行加注，这是此种电机安装设计问题决定，因此高品质润滑脂是解决此问题的关键。（3）电机振动较大，与电机轴未带叶轮联合校动平衡有关。该电机原为独自校动平衡后再与校过动平衡的叶轮装配，装配后的电机轴可能存在很大的不平衡量，从而影响轴承的使用寿命。

3#电机：运行时间12个月

故障现象：拆开前测量绕组对地绝缘电阻正常，但拆解后发现绕组端部对称性两处烧毁，且为同一相，接线盒内所有端子颜色正常，检查该电机轴承正常，但波形弹簧可见明显磨损。详细见图6。

故障定位：绕组端部对称性两处烧毁，且为同一组线圈，分析认为该故障为缺相运行引起，仅检查接线盒内所有端子颜色正常，故推断为电源断相所致。

原因分析：电机缺相运行比正常运行时候的电流高，电机在过载情况下长时间运行，导致绕组烧毁，电机无法正常工作。波形弹簧圈磨损问题原因同2#电机。

图5 1#电机拆解内部

4#电机：运行时间8个月

故障现象：电机外观磨损严重，绕组对地绝缘正常，拆解后发现绕组正常，轴承正常（NSK轴承，型号6205DU，内部填充白色高温润滑脂），波形弹簧圈无磨损，未发现其他问题，重新装配后试验，运转正常。

故障定位：外壳受损。

原因分析：电机坠落或是受外力撞击。

3 针对拆解情况提出预防及应对措施

从现场的故障分析，及对所拆解的冷却风机的电机情况进行了分析，造成冷却器电机故障的原因有数种，现在对已发生的故障采取相应的措施及对以后冷却电机的设计生产制造提出相应的预防措施。具体如下：

（1）针对绕组受潮或是浸漆不良现象的措施是：加强绝缘的处理，如果原来只浸漆一次，建议再增加一次浸漆，保证浸漆到位；

（2）加强电机生产的过程监控，需要与厂家确认耐压要求、次数，对供货方进行审核，必要时委派人员监造或驻厂监造；

（3）从整个机组的安装方式分析，机舱及叶轮处于一个复杂的振动环境，为了避免发电机的振动，地脚安装采用了弹性减震阻尼安装方式避免由于结构振动给发电机带来的影响。作为冷却风机的运行方式与发电机及其类似，如果刚性安装，发电机的严重振动可能会对冷却风机产生较大的影响，致使轴承或其他部件损坏。针对此原因可以选择与发电机安装方式类似的减振安装措施；

（4）改进轴向窜动造成波形弹簧圈磨损问题的措施是：改进固定端轴承结构，建议加一个轴承内盖，解决固定端轴承的轴向定位问题，消除轴的窜动问题，以保证波形弹簧圈的磨损问题；

（5）从拆解的4#电机分析，轴承并无烧毁和损坏现象，分析得知在轴承内部填充高温润滑脂，因此对轴承的要求是：在冷却风机上要求使用NSK或SKF的轴承。由于冷却电机安装后再难以进行维护注油等操作，因此要在轴承内部预先填充性能较好的高温润滑脂；

（6）从拆解的2#电机分析，叶轮的一根叶片已经断裂，分析的原因是电机原为独自校动平衡后再与校过动平衡的叶轮装配，装配后可能存在很大的不平衡量，运行过程中产生较大的振动影响。此问题的措施是：电机轴和叶轮装配后一起重新再进行动平衡校验，并提高动平衡等级至G1.0，以解决由于不平衡引起的振动问题；

（7）根据造成缺相运行的原因可以采取如下措施：a.在低压电机主回路中，应该尽可能选用自动开关代替熔断器作为短路保护；b.加强技术管理，进行定期校核、整定或更新；c.根据电机负荷率选用合适容量的熔断器，保证其在过载情况下及时断开电源；

（8）在冷却风机的故障报警中有一部分是由于一些接线原因造成，例如，接线盒接线松动、或由于机械振动造成的线路磨损损坏等问题。此类问题可以采取的措施是：装配过程中仔细检查每根接线的牢固可靠性，在进行机组例行检查时加强线路老化磨损等问题的排除，如出现有磨损现象及时更换电缆电线等；

（9）发电机生产厂家经分析后，冷却风机使用的电机采用4极电机，并在部分风场的风电机组已经实施了更换，经一定运行期的跟踪检查发现电机的烧毁问题有所改善。因此，对以后生产的发电机冷却器可以采用4极电机，同时，将冷却风机的电机归为常用备件，如果出现故障可以及时更换，以减少此故障对业主造成的损失。

4 结语

目前，空冷式双馈异步发电机的风电机组是众多风电生产厂家的主打机型，在这些厂家中冷却风机故障已经成为一种普遍问题。经多方调研及分析，针对冷却风机的故障等问题可以通过优化轴承结构并采用高性能轴承、高性能轴承润滑脂、增加电机运行保护、调整电机的安装方式以改善电机的运行环境、加强运行维护和使用4极电机等措施以降低相应的故障率问题。

[1] 杨建. 1.5MW双馈风力发电机的工程应用实例[J].上海大中型电机, 2010(3):10-13.

[2] 刘木清. 3.6MW海上双馈风力发电机设计研究[D]. 上海交通大学硕士学位论文, 2012.

[3] 武春晓. 1.5MW双馈风力发电机常见故障处理报告[R]. 2013.

[4] 田海燕. 定异步电动机烧损原因分析及对策[J].齐鲁石油化工, 2008,36(2): 139-143.

[5] 黄荷英, 金永琪. 电动机缺相运行后果及预防措施[J]. 水电能源科学, 2008, 26(3): 182-184.

[6] 徐海, 刘波, 刘启录.对旋式轴流风机电机损坏机理及治理对策[J].矿山机械,2006, 34(8): 49-50.

[7] 刘小龙. 轴流风机轴承损坏事故分析[J].山西科技,2010,25(3): 115-120.

Analysis of Cooling Fan Faults of Air Cooling Type Wind Power Generator

Zhang Yingbo, Wu Chunxiao, Pan Lei, Zhang Qiying
(GuoDian United Power Technology Co., Ltd., Beijing 100039, China)

The damage issues of wind generator air cooler motors were described. The kings of faults were counted, and emphatically analyzed the fault caused by lack of phase. Four failed motors were dismantled, and studied the special factors. There are four reasons led the motor to be damaged, whereby winding failure occupied the main part. Nevertheless, the faults which caused by the mechanical failure and wiring problems cannot be ignored. In view of these factors in process of solving measures were put forward.

air cooler; fault; wind power generator; control measures

TK83

A

1674-9219(2013)12-0088-04

2013-09-13。

张莹博（1984-），男，硕士，工程师，主要从事电机机械结构设计工作。