风电变流器预防性维护检测技术应用研究

胡占飞

摘 要 自从20世纪90年代开始，为了促进风电并网的快速发展，国家推出了一系列风电发展支持政策，尤其是2005年初的《中华人民共和国可再生能源法》，极大地鼓舞了各方投资者和风电供应商的开发热情，市场上的主流产品迅速从定桨距恒速恒频风电机组升级为以变流器为核心的变桨距变速恒频风电机组，并随之在2007—2010年迎来了我国风电并网的首个小高峰。时至今日，当年大规模投入运行的双馈及直驱风电机组已经寿命过半，其变流器系统各部件都呈现出不同程度的老化，从而造成难以察觉的安全隐患，严重时甚至引发电气火灾。鉴于早期大规模集中式风电开发的快速发展，目前越来越多的风电机组逐渐进入老化故障期，针对上述风电变流器内部器件劣化引发的电气火灾，有必要开展有效的状态监测和隐患排查。

关键词 风电变流器;预防性维护检测;红外检测;超声波检测

引言

近年来，随着大型风力发电机单机容量的稳步增长，其功率变流器的容量也随之增加，电气结构更加复杂，电子元件负载加大，这些变化都极大影响并提高了功率变流器的故障率。同时，风电场经常建立在风资源丰富但气候复杂的地区，功率变流器的工作环境极其恶劣，发生故障在所难免。风力发电机功率变流器的核心组件是功率开关元器件，即绝缘栅双极晶体管InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）模块。近年来虽然有一些成果，但鲜有能同时诊断功率变流器IGBT模块单一和双开路故障的，且存在误判、漏判和准确率较低的缺陷。并且，由于保护模块的作用，短路故障会转变成开路故障。所以，对风力发电机功率变流器IGBT模块开路故障的诊断是至关重要的。

1劣化因素分析

（1）电气因素。因风电机组故障或超发引起的变流器过电流造成其内部导体和绝缘材料局部过热老化;过负荷分合断路器和接触器时因电弧火花造成的触头氧化及接头烧蚀;因操作过电压、雷电过电压造成绝缘强度下降;因绝缘材料局部放电造成的单点破坏逐渐扩大，导致整体绝缘的全面劣化。

（2）各种电气设备接线错误问题。一个电流互感器需连接多种电气设备，一旦出现人为失误致使电气设备间的接线混乱，极有可能造成整体电路系统短路，影响整个电路系统的安全运转和人员的生命安全。

（3）环境因素。风电变流器所处环境相对恶劣，因高温发热、盐雾潮湿、灰尘油污以及紫外线辐射等都无法估计，造成其内部接头部位接触不良、器件连接点氧化腐蚀以及绝缘材料变质老化;因老鼠、白蚁等小动物咬坏电缆、浸水等造成的破损[1]。

2预防性维护检测技术

（1）超声波检测技术。对于放电型隐患，可以利用超声波检测设备对工作状态下的风电变流器进行测量，比较典型的有超声波局部放电检测仪，其基本原理是利用外差法将电气局部放电所产生的高频噪声通过压电原理先行转化为电流信号，然后再通过内部处理将其转化为人耳可听的音频信号，并在通过高频接收器接收电气设备产生的超声波信号时对其音质和强度进行分析，这样可以快速检测出放电现象并精确定位故障点，从而及时发现设备内部的隐患缺陷。

（2）状态量检测。电力状态量检测主要是针对电力系统发展过程中，对电力计量装置的整体运行情况进行充分的分析，并结合实际的情况，对电力计量装置运行过程中各种变量的负荷特点以及变化情况进行科学有效的分析，从而从整体上判断电力计量装置是否存在异常情况。并通过对电力状态量进行有效监测，及时了解用户的用电情况。在这个过程中，对于电路以及电线的损坏情况也要及时掌握，从而保证电力的正常运行。

（3）红外检测技术。对于过热型隐患，可以利用红外检测设备对工作状态下的风电变流器进行测量，比较典型的主要有红外测温仪、红外热像仪和红外热电视，其中最具备智能故障诊断开发能力的红外热像仪，其基本原理是利用红外探測器和光学成像物镜，接收被测目标的红外辐射能量分布图形，并将其反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，并利用不同的颜色代表被测物体的不同温度，然后应用图像处理技术，分析出设备的运行状态[2]。

3风电变流器预防性维护检测方案

（1）断路器。主断路器是风电机组与电网线路连接的核心保护器件，对整个机组起到安全保护作用。目前主断路器基本具备计数功能，但由于断路器在故障时会带大电流分断，导致内部绝缘下降，动作次数只能作为参考，可以通过红外技术检测其内部动静触头及外部接头处的温度分布来判断是否接触不良，通过超声波检测技术检测断路器灭弧室是否存在局部放电。

（2）电流互感器接地。为防止此类安全隐患的产生，所有电流互感器都会将二次系统的二次线圈接入地线。它是保障电流互感器二次系统正常运行和工作人员人身财产安全最有效的屏障。所有电路系统中电流互感器在投入运行前务必加强检测工作，谨防电流互感器二次点接地和一次系统绝缘性被破坏，一旦出现电路电缆损坏，需立即进行断电抢修。

（3）电阻器。风电变流器中为了防止主接触器闭合后直流母线的支撑电容瞬间短路，通常设置了预充电电阻用于直流母线预充电;同时，为了保障风电机组在电压跌落的一定范围内能够不间断并网运行，低电压穿越回路上通常配置Crowbar电阻用来平衡有功并保护机组。如果电阻器内部出现接触不良，或者引线松动、脱落甚至断裂等造成阻值变化或者断路时都会呈现出热效应的非正常现象，可以通过红外热成像技术检测出其是否正常[3]。

4结束语

针对风电变流器的现场检测实施，应该在现有定检运维的基础上针对红外检测和超声波检测逐步探索其定制化的运检方案，并结合现场实践进一步积累经验，以提高预防性维护检测的可靠性与准确性。

参考文献

[1] 高亚真，黄守道，付雪婷，等.基于电压注入的双PWM变流器直流母线电容的在线检测[J].大电机技术，2018（6）：79-83.

[2] 周志朋，谢冬梅.双馈风电机组变流器故障诊断研究综述[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2018，14（4）：349-353.

[3] 夏岩.微网大功率储能变流器关键技术研究[D].北京：电子科技大学，2018.