风电机组发电机故障率高原因探讨及解决方案

2022-04-09李琰

机电信息 2022年7期

摘要：老旧风力发电机组普遍存在发电机故障率高的问题，导致风机频繁停机，严重影响风机运行，降低发电量，甚至还会影响风机运行安全和发电机使用寿命。现结合现场经验，对双馈异步发电机常见的散热系统故障、机械结构故障进行分析，深入探讨故障原因并提出解决方案，以保障发电机可靠运行。

关键词：风力发电机;故障;原因;解决方案

中图分类号：TK83 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2022）07-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.018

0 引言

随着风电行业的快速发展，风电机组装机容量和规模不断扩大，在众多早期服役的风电机组中，1.5 MW风机是主力机型，该容量的风电机组通常采用双馈异步发电机，设备运行时间多在10～15年，随着服役年限增加，这些机组无论是国产的还是进口的，都面临着设备老化、备件停产、运行故障率高等一系列影响机组可利用率和风电场生产效益的问题。

发电机作为风电机组核心大部件之一，负责将机械能转化为电能，发电机故障是导致风电机组频繁停机的常见故障，发电机故障率高将严重影响风电场发电量和经济效益。深入分析发电机散热系统故障、机械结构故障产生原因和失效模式，提出解决方案和技改措施，对保证发电机可靠运行具有重要意义。

1 发电机常见故障形式

某风电场共66台风机，2010年投入运营，风电机组采用1.5 MW双馈异步发电机，散热系统采用背包式空空冷却装置[1]，发电机常见的故障形式分为散热系统故障和机械结构故障，且散热系统故障的损失电量和故障次数占比较大。

散热系统故障主要包括发电机定子绕组温度过高，发电机定转子接头过热，发电机前后轴承温度高。定子绕组温度由安装在定子铁芯的Pt100测量，定转子接头温度由安装在定子和轉子接线箱内部动力电缆上的温度开关测量，轴承温度由安装在轴承端盖处的Pt100测量。

机械结构故障主要包括发电机轴承损坏，转子过桥线、引出线损坏。

2 发电机故障原因分析及解决方案

根据现场踏勘和检查结果，结合故障时刻的数据特征，采用根因分析的方法，从人、机、物、法、环等方面进行多维度分析。

2.1 发电机绕组温度故障停机阈值存在提升空间

经查，该风电场发电机绕组绝缘等级为H级，允许的最大工作温度为180 ℃，温升限度为130 K。目前发电机定子绕组温度主控设置报警阈值为130 ℃，故障停机阈值为140 ℃，定子绕组温度设定值仍有10～20 ℃的提升空间。

解决方案：经过原风机厂家设计论证和书面同意后，选择若干台绕组过温故障发电机进行主控参数调整，将绕组过温报警阈值调整到148 ℃，故障停机阈值调整到155 ℃，避免绕组温度超过旧的故障阈值造成停机。

发电机连续满发运行3～4 h后绕组温度才能达到热平衡，热平衡之后，绕组温度趋于稳定而不再升高。在调整主控参数之后进行了12个月的验证，大部分发电机持续满发时绕组温度能够达到热平衡且不再上升，绕组温度未超过155 ℃故障停机阈值，避免了故障停机损失。针对仍然出现绕组过温故障的少数发电机，风电场采取下架返厂维修的措施，由专业的发电机厂家进行拆解和温升试验，确定故障原因并进行维修。

2.2 发电机绕组温度漂移

发电机绕组温度依靠Pt100传感器进行测量，Pt100的稳定性决定了测量温度的准确性，在实际使用过程中，由于工作环境、使用时长等因素的影响，Pt100会发生温度跳变、漂移等一系列故障，导致测量温度出现异常。Pt100温度漂移的严重程度和运行工况相关，发电机在停机情况下三相绕组温度和机舱温度接近，温度漂移不明显;发电机运行功率和温度越高，温度漂移越严重。

解决方案：发电机原有的绕组测温Pt100安装在定子铁芯内部，一旦损坏无法更换。如果只有一相绕组温度存在漂移，采取屏蔽该相绕组Pt100测温信号的措施，避免故障停机。如果有两相及以上绕组温度存在漂移问题，需在发电机定子绕组端部额外加装Pt100。在发电机驱动端U、V、W三相各加装1个Pt100，发电机非驱动端U、V、W三相各加装1个Pt100，共加装6个Pt100。由于原有的Pt100安装在定子铁芯内部，距离端部仍有一段距离，安装在端部的Pt100需增加一个温度补偿值，以反映原有铁芯内部的温度，基于全负载试验满发条件下得到的结果，补偿值在10～15 K。

2.3 发电机定转子电缆温度开关选择不合理

根据发电机定转子电缆绝缘材料性能的要求，电缆最高工作温度为90 ℃，电缆温度开关阈值设定在85 ℃较为合理。经过现场勘察，目前该风电场共有13台风机定子电缆温度开关阈值设置为60 ℃，阈值偏低，容易触发报警。因此，风电场配合半年检或年检的机会，将60 ℃的温度开关全部更换为85 ℃的温度开关。

2.4 发电机散热能力不足，空冷器内部管路污染

在发电机运行过程中，散热分为热传导、热对流、热辐射3种方式[2]，绕组和铁芯损耗产生的热量通过热传导传递到电机表面，并通过强制对流的方法将热量带走，除少部分热量通过热辐射散发到机舱内，多数热量被发电机上的冷却器带走。该风电场采用空空冷却器对发电机进行散热，冷却器靠轴流风扇带动空气流动，风冷机组通风系统的好坏将直接影响发电机的冷却效果。风路是否顺畅，能否带走发电机各个发热部位的热量，对发电机的性能有很大影响[3]。

检查发电机用户手册可知，电机适用于海拔≤1 000 m的高度，设计能力不满足现场平均高度2 117 m的要求，需要提升发电机冷却系统散热能力。

该风电场发电机服役年限超过10年，空冷器内部散热管路上灰尘和油气较多，导致热交换能力下降，内部热量无法有效被外部冷空气带走，影响发电机散热性能。

解决方案：通过增加外风路的风量，提高发电机散热能力。对于散热轴流风扇，可采用简易的外风量测试方法，从风扇中心开始，沿着外径方向按照相同的间距选择5～8个测点，用手持式风速仪测量各测点的风速，并求得平均风速，平均风速乘以风扇的截面积得到风量。将同品牌同型号的发电机散热风扇风量测量值进行对比，选择风量值较低的发电机进行散热风扇技改，更换更大功率、转速的散热风扇，提高发电机散热能力。需要注意的是，塔上更换散热风扇时，需要提前测量风机机舱吊装口的尺寸，避免新风扇尺寸过大无法通过机舱吊装口，新风扇的尺寸接口要与旧的空冷器相匹配。本次技改采用双轴流风扇替代旧的单轴流风扇。

针对空冷器内部管路污染问题，由于空冷器管路塔上清洗不易实现，建议日后下架采用高压气枪清洗，清洗时要注意避免使用过硬的毛刷划伤管壁。

2.5 发电机排风罩破损、塌陷

发电机冷却系统将热量通过尾部排风罩排放至外界空气，尾部排风罩采用塑胶材质，钢箍缠绕固定。发电机高速运转并产生振动和热量，排风罩长时间工作在振动、高温环境下容易破损和脱落，排风罩一旦破损，热量会通过排风罩破损的孔洞排放至机舱内，使机舱温度升高，机舱温升会引起传动链润滑水平下降、管线加速老化等严重问题[4]，直接导致机舱内部发电机、齿轮箱等大部件散热条件变差，严重时会造成发电机过温故障。现场踏勘时发现部分发电机排风罩尺寸过长，导致排风罩转弯半径过大并产生塌陷，降低了排风罩内部的通风面积，影响热空气流动。

解决方案：更换合适尺寸的排风罩。需要注意的是，排风罩尺寸过长或过短均不利于散热，过长会导致排风罩塌陷，过短会增加固定端的受力，容易使排风罩破损和脱落。排风罩转弯半径的最低点应落在空冷器热风流动的方向上。

2.6 发电机轴承自动润滑系统损坏

发电机轴承采用自动润滑系统，部分发电机轴承自动注油泵已经损坏，导致润滑泵无法定时定量给轴承注入新的油脂，轴承在缺油的条件下运行导致温度升高。该发电机的自动润滑系统型号较老，信号未能接入主控系统。

解决方案：针对自动润滑系统损坏的情况，采用手动注油的方法，按照發电机厂家提供的润滑要求定期定量给轴承注入油脂;或者更换新型号的发电机自动润滑系统，润滑系统需具备损坏报警功能，报警信号（包括综合故障报警信号、堵塞报警信号、低液位报警信号）能够接入主控系统。

2.7 发电机轴电流造成轴承电腐蚀

在定期检查时发现发电机轴承存在异响，检查发电机润滑和对中情况并无异常，将轴承拆下后发现内圈存在等间距的“搓衣板”纹路，判断为发电机轴承失效，原因是轴电流造成电腐蚀。双馈异步发电机采用变频器向发电机转子提供高频切换的电压脉冲，因此在轴、两端轴承和机座的环路中产生了高频环流，且轴承转动过程中产生的静电放电及发电机磁场不对称这两种情况也会使发电机轴带电[5]。轴电压虽然微小，但当量值达到足以击穿轴承润滑油膜时，瞬间将依次经过轴承内圈、滚动体、外圈与电机定子机座构成回路（过电流）并产生电火花。一旦出现过电流现象，轴承滚道或滚动体在电流导通区域就会形成熔滴状破坏性表面，造成轴承提前失效。

解决方案：一般来说，完全消除轴电流非常困难，通常采用“疏导”和“阻隔”的方法避免轴电流对轴承的损伤。一方面，在发电机前轴承加装接地碳刷，疏导轴电流直接流向接地系统;另一方面，使用绝缘轴承或绝缘端盖阻挡轴电流经过轴承产生回路。

2.8 发电机集碳盒破损

发电机碳刷磨损产生的碳粉会被排放到集碳盒，集碳盒安装有滤棉，用以吸收碳粉。定期对发电机检查时发现个别集碳盒存在轻微变形和破损，导致少量碳粉溢出。工作人员应及时清理碳粉，并更换新的集碳盒和滤棉，避免碳粉破坏风电设备的绝缘性能。

2.9 发电机过桥线、引出线损坏

部分发电机出现并网失败、转子开路的情况，发电机需下塔维修。故障均为转子过桥线断裂造成转子绕组匝间绝缘损坏或转子引出线断裂，导致转子端部甩开与定子绕组摩擦，造成发电机铁芯变形，致使发电机报废。

解决方案：目前已有成熟可靠的对发电机转子侧极间连线及转子引出线进行技改的方案，一是增加过桥线固定点和支撑点，减少根部圆角的应力集中，减小振动;二是修改过桥线图纸，增大过桥线折弯R角，过桥线与铜排连接部位做成弯曲形状，这样既可减少应力集中，也有利于吸振。针对引出线，改变电缆固定方式，在引出线外部增加一个支架，支架采用绝缘材料，并用螺栓固定，支架可以固定引出线，以有效抵抗离心力的影响，减少转子电缆离心力带来的应力集中[6]。

技改的同时对发电机进行深度保养，维护或更换运行状态不良的轴承和附件，提高发电机的运行可靠性，从而减少发电量损失。

3 改进后效果分析

该风电场通过为期一年的发电机故障专项治理，实施上述解决方案并进行了效果验证。验证分为小批量验证及批量验证，根据2021年全年数据统计，发电机故障损失电量同比降低53%，故障次数同比降低70%，发电机运行可靠性得到明显提升，保障了风电机组的安全稳定运行。

4 结语

本文通过对老旧机组发电机故障原因进行分析，提出了针对性解决方案，即采取发电机绕组温度控制参数调节、发电机散热风扇塔上技改、发电机定转子电缆温度开关更换等技改措施，可明显降低发电机故障率，从而减少风电场运维成本，提升发电效益。

[参考文献]

[1] 黄刚，徐立.2 MW级低风速区双馈风电机组主发电机用高效空空冷却装置的研究[J].机电信息，2018（21）：61-62.

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

[3] 元伟伟.风力发电冷却系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[4] 孙德滨.风力发电机组机舱温度场分析与热布局优化方法研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2017.

[5] 刘瑞华，胥佳，胡鹏，等.双馈式风电机组发电机轴承故障浅析[C]//2012年中国电机工程学会年会论文集，2012：1-6.

[6] 赵美茹，王鑫.1.5 MW双馈风力发电机转子过桥线和引出线的断裂[J].电机技术，2017（6）：43-46.