风力发电机组故障诊断技术综述

张津

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风电发电建设越来越多。利用风能进行发电在我国电能供应中占有一定的比例，对于优化我国能源消费结构具有重要意义。由于风电场的运行环境比较恶劣，所以增加了风力发电机发生故障的几率。为了保证风力发电的稳定供应，可对风力发电机实施状态监测和故障诊断技术，及时监控发电机的运行状态，提高故障诊断和维修效率，确保电能的稳定供应。文章首先对风力发电机采用状态监测和故障诊断技术的必要性进行分析，然后阐述了状态监测和故障诊断技术在风力发电机中的应用，对于提高风力发电机的运行效率具有重要意义。

关键词：风力发电机;状态监测;故障诊断;技术分析

引言

发电机组在运行时对能源的损耗较小，不会对环境造成较大污染。该机组的燃料不仅有天然气，还有多种有害气体，运行过程安全、环保，有效降低了污染物的排放，符合热电联产的要求，应用前景极为广阔。在发电机组的运行过程中，必须采取有效的措施予以防范，并做到发生故障及时处理与解决，尽量避免发电机组出现故障问题。

1 风力发电机组故障特性

风力发电机组的使用寿命一般为 20～25 年，大部分风电机组安装在草原牧区、高原地带、沿海岛屿、山区等区域，这些区域的自然环境都非常恶劣。风电机组长期在沙尘、低温、冰雪、雷电、风暴等恶劣环境中工作，加之荷载及风速对其的影响，使得机组的实际工作状况异常复杂，很容易造成风电机组的相关零部件在实际的寿命期当中产生损坏和发生故障。小的故障造成风机停机，损失风电场发电量;大的故障造成大部件（如发电机，齿轮箱，轴承，叶片等）损坏。一旦造成大部件的损坏，大部件的更换、运输、吊装、长时间的停机会给风机制造商和风电场造成巨大的损失。由于风电机组的高度一般在 70～90 m 之间，机组内有大量的机械部件和电气部件，还有油脂及其他化学制剂。大型故障甚至可能造成火灾、触电、机械伤害和人员坠落等人员伤害，甚至死亡。

2 状态监测和故障诊断技术在风力发电机中的应用

2.1 齿轮箱状态监测和故障诊断

齿轮箱作为风力发电机中连接主轴和发电机的重要部件，其内部结构和受力情况比较复杂，尤其是在运行工况和载荷发生变化的情况下，发生故障的几率会有所增加。由于齿轮箱故障而导致风力发电机故障的占比较大，不仅维修成本高，且因为停机所造成的发电量损失巨大，所以对齿轮箱进行状态监测和故障诊断非常重要。齿轮和轴承是齿轮箱比较常见的故障部位，断齿、齿面疲劳、胶合是齿轮常见故障类型，磨损、点蚀、裂纹、表面剥落是轴承常见故障类型，任何一种故障类型都会影响到齿轮箱的正常运转。随着风力发电机规模的扩大，对齿轮箱的性能要求也越来越高，所以要保证齿轮箱的安全可靠运行。振动监测和温度监测在齿轮箱状态监测中比较常用，振动监测主要是利用振动测量仪器对齿轮箱的振动频率进行检测纪录，然后将测得的实际运行数据与设计数据进行对比分析，从而发现齿轮箱中各部件的运行状态。故障特征频率是判断齿轮和轴承健康状态的重要指标，所以通过时域信号统计能够初步诊断出齿轮箱故障点及原因，然后再利用快速傅里叶变换和功率谱对初步诊断的结果进行再次确认。温度测量法主要是通过温度传感器对齿轮箱零部件运行过程中的温度变化进行识别和诊断，通过与常态进行对比，能够及时获知齿轮箱零部件的状态信息。

2.2 转子不对中故障诊断

风力发电机作为大型机械设备，发电机组通常放置在离地面几十米的高空中，而且受到风力的作用，安装笨重的发电机组难度较大，无法保证转子精准的对中安装。若转子未能保持在对中状态，此时，发电机组在长期运行过程中，在风力以及运行高温共同影响下，齿轮箱内的阻尼器会出现变形，导致转子和轴承无法保持在对中状态，此时，发电站机组会出现不规律振动，致使前后旋转装置轴心无法保持在同一条直线状态，从而引发轴承出现故障。转子出现不对中的故障，除了安装难度较大以外，还由于以下原因导致的：第一，运动状态下的转子，会由于该变量发生的变化，导致从动转子与主动转子间，产生不同的动态情况;第二，承载转子轴承座出现不同的膨胀情况;第三，机壳出现变形或者位移情况;第四，发电机所处地基出现不均匀沉降;第四，转子出现弯曲情况，引发机组出现不平衡的旋转情况。

2.3 线圈故障预防措施

线圈故障大多是由于绝缘层失效导致的，因此绝缘层就可以作为制定线圈故障预防措施的关键所在。首先，保证线圈的质量是非常关键的，因此厂家需要在选择线圈的材料上做综合考虑。保障线圈的材质会使线圈能忍受摩擦的時间加长，绝缘效果保持的时间也会变长。此外，维修人员还需要定期检查线圈的磨损情况和绝缘效果以防止线圈有被电压击穿的可能。在发现线圈磨损严重时需要对线圈进行及时的更换以避免出现安全隐患。其次，线圈的磨损情况和工作时间是成正相关的，发电厂可以增加发电机的数量来分担每台发电机的任务量。从而在使供电要求得到满足的情况下增加线圈的使用寿命。

2.4 发电机故障诊断

发电机出现故障，可分为定子绕组故障和轴承故障。出现定子绕组故障时，绕组出现破坏、磨损以及裂纹等情况，此时绕组无法提供绝缘功能。出现轴承故障时，不同部分的故障会产生不同的振动信号，以转子不对中为例，会将这类问题归纳为偏心故障。此外，转子和定子是由轴承支撑，轴承会承受较大的径向负荷，在较大的荷载作用下，导致轴承出现故障。通常情况下，轴承会出现内外圈损坏、点蚀以及磨损等情况，而且轴承在振动状态下，会提升出现故障的概率。

2.5 其他部件的状态监测和故障诊断

电气系统也是风力发电机的重要组成部分，通过变频器等电气设备向电网输送电能，并且对电气系统进行相应的控制。电气系统中比较常见的故障主要有短路、过电压、过电流及过温等，任何故障的发生都可能造成发电机的损坏。根据电气系统的故障特点，主要是采取性能参数检测的方法，对输出电压、电流、功率及温度等数据进行监测，然后与标准值进行对比，从而判断电气系统的健康状态。对于液压传动系统的状态监测和故障诊断主要是通过油液监测的方法来完成，对润滑油及液压油中的颗粒物进行检测，通过颗粒的形状、粒径、状态等来判断液压系统中出现故障的部位，从而采取相应的防控手段。对于风力发电机中各部件的状态监测和故障诊断，主要是根据各部件的运行环境和运行状态来决定采取哪种监测方式，只有最适宜的方式才能够确保获取最佳的监测数据，然后通过对数据的分析和整理，再制定出相应的防控措施。通过对状态监测获取的数据分析，还能够为风机系统的设计改进提供有力的参考依据，所以要保证数据的全面性和准确性。

3 结语

综上所述，为了保障风力发电机整体运行状态的顺畅与稳定电厂发电机的各个部位都需要保持稳定的运行状态，否则就无法保证生产效率的提高，同时还有可能会造成加剧用电量消耗的情况。因此，作为电厂的维修人员要将预防措施落到实处，并对发电机进行及时的清洁、维护和监控。

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