风力发电主要设备可靠性现状与应对措施

风力发电主要设备可靠性现状与应对措施摘要：近年来，风力发电得到了广泛的应用和发展。风力发电部套件及控制系统随着运行时间的增长，或因维护不当，风力发电主要不套件和控制系统在生产运行中也逐步暴露出一些缺陷隐患，影响风力发电机组的长期安全运行。研究风力发电设备部套件及系统运行故障缺陷及应对措施，促进风力发电装备和技术水平不断意义重大。结合运行风电场维护经验及主要设备缺陷隐患，开展风力发电主要设备及自动化控制系统可靠性现状分析，优化风力发电机组监控、控制策略，是及时发现风力发电设备缺陷隐患的技术保障，也将促进风力发电设备技术和维护水平不断提升，也是保证风力发电设备及电气自动化控制设备的长期安全稳定运行重要措施。关键词:风力发电；自动化；故障缺陷；应对措施由于电气自动化控制设备在风力发电系统的广泛应用，改变了风力发电企业的生产方式，提高了设备生产效率，经济和社会进步显著，节能减排效果明显。但是，随着风力发电机组运行年限的增长，转动机械出现机械磨损、疲劳现象，电气设备的逐步老化。忽视风电机组部套件及电气自动化控制设备的故障预防和维护，将导致企业的生产经常因为电气自动化控制设备的故障而不得不停机停产。因此，加强风力发电设备维护、技术升级和技术培训，建设高水平的维护队伍，提高风力发电设备及电气自动化控制设备的故障预防和维护水平，是推动风力发电项目可持续发展的必要措施。目前，常见的并网型风力发电机组有异步发电机、双馈异步发电机、永磁或电励磁同步发电机。以双馈风力发电机组为例，双馈风力发电机采用水平轴、三叶片、变桨距调节、主轴两点支撑结构，主要部件包括叶片、轮毂、变桨系统、传动系统、发电机、控制系统、偏航系统、机架、塔架、测风系统等。随着这些发电机组运行年限的不断增长，风力发电机组一些部套件逐步暴露处一些故障、缺陷，影响风力发电机组长期安全稳定运行。1风机叶片常见故障缺陷及相应措施叶片老化的类型主要有湿热老化、化学介质老化、紫外老化、物理磨蚀老化、盐雾腐蚀老化等五种。叶片损坏主要有：断裂失效、开裂失效、雷击造成的损伤、局部表面磨蚀、局部表面裂纹、运输和吊装造成的损伤、运行维护不当造成的损伤等。叶片结构一股分为外壳和主梁两个主要部分，受制造工艺、黏结工艺等随机因素的影响，通常在复合材料板内部及叶片前、后缘及壳梁粘接处容易产生缺陷，常见缺陷有夹杂、气孔、裂纹、分层等；另外因长期运行可能出现防雷引线、滑环松脱。叶片的缺陷可能只是一种类型，也可能是几种类型的缺陷同时存在。针对不同情况，采取不同措施。针对叶片老化，需要在设计选材及制造环节和防腐材料上把好关，确保生产制造工艺质量。另外就是做好日常维护检查，发现裂纹、雷击影响到一定程度后必须进行修复。定期做好以下工作:每季度对叶片表面、叶尖、雷电接闪器等外观一次检查：每季度对机组运转时是否有异响进行一次检查；每季度进行手动停机限位开关触发检查一次；每季度一次变桨系统开桨70°急停收桨测试；每年一次大梁、粘合面等内部检查：每季度一次避雷引线的检查；每年一次雷电计数卡检查；每年一次叶片防雷通断检查；每年一次叶片内残渣清除；每年校正叶片零度一次。通过定期检查测试，才能及时发现故障缺陷，及时采取应对措施。2风机变桨系统故障缺陷及应对措施风机变桨系统由轮毂罩、变桨轴承、变桨驱动装置、变桨控制柜、变桨接近开关、变桨限位开关、缓冲器、极限工作位置撞块等组成。风机变桨轴承属于机械磨损件，随着运行年限的增加，可能因为设计、轴承润滑不到位等原因，产生机械疲劳，出现机械卡涉、轴承齿面开裂、断裂现象，严重时可能导致叶片脱落轮毂掉落。如图1风机变桨轴承齿面开裂。图1风机变桨轴承齿面开裂图1为风机巡视检查中发现的变桨轴承齿面开裂照片。针对该类型缺陷，在设计时就应充分考虑各种运行工况轴承承受的轴向和径向载荷，考虑充分的承载裕量。在运行期间，定期做好维护、检查，以便提前发现缺陷隐患，采取措施避免缺陷扩大引发事故。变桨系统故障一般还有滑环故障、变桨电池故障、三叶片变桨不同步故障、变桨电机及减速器故障、变桨轴承故障、变桨超限位故障等。变桨超级电容故障,在机组失去外部动力电源,紧急停机的情况下,由于备用电源的失效,而造成机组气动制动系统失效,将可能导致飞车的严重后果。针对以上故障，可以在现场监测和控制逻辑上下功夫，完善变桨系统状态、重要部件自动定期自检，完善相关告警设置，可以提前发现设备故障缺陷，提前进行应对处理。另外就是做好定期检查工作：每季度一次变桨轴承密封检查及废油脂清理；每季度清理/更换集油袋或集油瓶一次；每半年一次齿轮表面检查；每半年一次变桨轴承齿面手动润滑、防锈；每半年一次注油小齿轮支架与轮毂的连接螺栓力矩检查；每季度检查叶片与变桨轴承连接螺栓一次；每季度检查变桨轴承与轮毂连接螺栓一次；每季度检查润滑系统是否正常工作一次；每季度检查油泵、管路、分配器是否堵塞、泄漏一次；每年检查润滑系统润滑时间设置一次；每季度变桨润滑油泵加注润滑油脂一次；每季度一次照明检查；每年一次变桨柜体与轮毂连接螺栓力矩检查；每半年一次柜体之间电缆固定检查；每年一次变桨齿轮箱油位检查；每年对变桨齿轮箱加注润滑脂一次；每季对度变桨齿轮箱密封检查一次；每半年对变桨控制柜紧固、连线、超级电容及相关保护检查一次。3风力发电机组传动系统故障缺陷及应对措施风力发电机组传动系统实现将风轮捕获的能量传递给发电机。主要部件包括：主轴、齿轮箱、转子制动器、联轴器、发电机等。随着风力发电机组运行时间增长或维护不到位，相关转动部件出现磨损或机械疲劳，传动系统的发电主轴、齿轮箱、转子制动器、联轴器、发电机轴承常见缺陷为轴承磨损、异响、开裂、断裂、轴系不对中等缺陷隐患，若发现不及时，致使缺陷扩大，将最终导致设备事故，如下图2为一齿轮箱中速轴齿轮断齿。图2齿轮箱中速轴齿轮断齿风力发电机在安装、检修后若轴系对中不好，在风力以及运行高温共同影响下，发电机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，发电机轴系会出现不规律振动，致使前后旋转装置轴心无法保持在同一条直线状态，进而引发轴承出现故障，最终导致轴承、齿轮磨损、发热加剧，若在进一步劣化，将引发重大设备事故。在传动系统中，滚动轴承经过长时间运行，在风机启动、刹车过程中均会受到一定程度冲击，进而出现磨损、、剥落、点蚀、裂纹、断裂现象，致使轴承在运行中出现较大的噪音、振动，同时因摩擦增大致温度升高。发电机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、异响及温升信号，将使轴承出现内外圈损坏、点蚀以及磨损等情况。对于风力发电机组以上故障缺陷的诊断，可以通过在风机传动系统各部位加装测振、测温、测速等监测装置，进入状态监测系统进行综合分析。状态监测系统综合相关数据定期进行综合、累计分析，提炼出异常数据，监控系统结合异常分析数据发出报警、停机信号。维护人员可以根据相关报警及异常数据进行现场检查，可以提前发现相关转动部件的劣化趋势，提前采取措施，防止缺陷扩展和进一步劣化。另外还应做好定期维护检查。每季度检查主轴排油口、转速传感器、主轴处防雷装置、锁紧螺母及锁紧装置检查、轴锁润滑、异响及温升、润滑油泵、油泵、管路是否堵塞、泄漏一次；每季度查润滑系统润滑时间设置、润滑油泵加注润滑油脂、油位，根据实际情况加油；对管路、接头、中心孔、端盖、盖板、冷却器等密封检查；每半年取油样化验一次；每季度检查及测试传感器、振动模块一次；检查齿轮箱弹性支撑、接地、箱滤芯，必要时更换；每年开展内窥镜检查一次；每半年检查冷却风扇运、加热器运行、接线盒内接线端子的紧固一次；每季度检查并根据情况更换齿轮箱空气过滤器一次；每季度对联轴器外观变色、裂纹检查一次；每半年检查高速刹车盘止退螺栓力矩、联轴器力矩限制器螺栓一次；每季度对刹车盘、刹车罩壳及油管外观、表面磨损、厚度、窜动、后移、破损、开裂、间隙调整等检查一次；每季度对发电机接线盒内接线端子紧固、接地线、转速传感器、滤网、碳粉收集盒及管道、风扇/排风管、集电环表面、接触面、集电环外罩、电刷和刷架、定转子雷电保护、绝缘电阻测量检查一次；每年对发电机轴系进行一次找中；每季度检查液压油位、油位传感器、过滤器、调偏航刹车残余压力、调整主轴刹车残余压力或减压阀压力一次。对于无法通过自动监测、监视的部件，采取定期维护检查是不可或缺的维护手段。只有通过定期检查发现设备的异常运行及缺陷，并及时安排处理，可以有效防止设备缺陷扩大，保障设备本质安全和运行效率。4风力发电机变频系统故障缺陷及应对措施双馈风力发电机组双馈变频器在双馈发电系统中，是核心的能量转换控制单元。一般分为机侧变频器与网侧变频器。其中机侧变流器主要的职责是通过控制发电机转子的励磁电流来实现发电机输出有功功率和无功功率的控制。变频器故障主要有变频器误操作、预期效果误差大、过压、过流、过热、功率模块过热炸裂等。由于风电变频器工作环境恶劣，运行中功率模块发热较大，若散热系统及温度保护失效，将引发功率模块过热炸裂的情况，如下图3变频器功率模块电容炸裂照片。图3变频器功率模块电容炸裂变频器在运行中，可能因为电源雷电波入侵、滤波原件损坏、故障产生过压，过电压可能击穿IGBT功率模块。常见的IGBT功率模块过热可以通过检查模块散热器上的导热硅胶及柜内温度监测发现。除此之外IGBT在过压，过流、过热、电源电压欠压情况下也会产生故障信号，可通过监控软件及时发现，对发现故障的功率模块应及时进行更换。为保障变频器的安全可靠运行，在设计是应充分考虑电力电力器件的过流、过压裕量及温度参数，充分考虑变频器运行散热问题，这样才能保障变频器的长期稳定运行。为确保风力发电机组变频器长期稳定运行，应做好变频器的定期维护工作。每半年变频器内部积灰清理一次；每季度对变频器防尘滤网检查一次；每半年进行一次整机机柜检查；每年进行一次功率回路及回路主开关检查、控制电路及软件检查、元件检查、信号电路检查、安全功能检查。5结论风力发电项目的不断建设投运促使发电设备的装备及技术水平不断提高。研究风力发电设备部套件及系统运行故障缺陷及应对措施，促进风力发电装备和技术水平不断进步势在必行。风力发电设计时，充分考虑风电设备各部套件及系统的在线故障监测，提升自动控制水平，及时发现设备运行异常，为定期维护及故障缺陷处理提供参考，对提升风力发电设备的运行周期意义重大。参考文献：[1]杨星.电气自动化控制设备故障预防与检修技术探析[J].科技创新与应用,2021,1