空冷式風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)故障分析

張瑩博，武春曉，潘磊，張啟應(yīng)

（國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039）

空冷式風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)故障分析

張瑩博，武春曉，潘磊，張啟應(yīng)

（國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039）

本文簡(jiǎn)述了風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的損壞故障問題，統(tǒng)計(jì)了冷卻風(fēng)機(jī)損壞故障的種類，著重分析了由于異步電機(jī)缺相運(yùn)行造成的故障。針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)故障的4臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)拆解，分析具體故障原因。主要有四類原因，其中電機(jī)燒毀占據(jù)了故障中的主要部分，但是電機(jī)的機(jī)械故障和接線等問題引發(fā)的故障也不可忽視。本文針對(duì)以上故障原因提出了相應(yīng)的解決措施。

空冷器； 故障； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 控制措施

0 引言

從“風(fēng)力發(fā)電”概念的提出，到現(xiàn)在風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展的時(shí)代已有一百多年的歷史。從歷史的發(fā)展來看，發(fā)電機(jī)的功率容量隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸增加，從開始的十幾千瓦到現(xiàn)在的數(shù)兆瓦及數(shù)十兆瓦；發(fā)電機(jī)的類型也是多種多樣，從開始的最初直接用于生產(chǎn)的直流發(fā)電機(jī)，到后來的異步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)發(fā)電機(jī)以及技術(shù)更加先進(jìn)的其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型。到目前為止，國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)使用最多的是1.5MW雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中，應(yīng)用最多的是空空式冷卻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1-2]。空空式冷卻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)是在箱式機(jī)座上安裝一個(gè)空空式冷卻器，由蝸殼式冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行軸向通風(fēng)與電機(jī)內(nèi)部形成熱交換的一種發(fā)電機(jī)類型，如圖1所示。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)用空空冷卻器，包括設(shè)置于電機(jī)箱上端的冷卻器箱體和冷卻風(fēng)機(jī)，機(jī)箱兩端分別設(shè)有冷卻風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，冷卻器箱體的一段設(shè)有回風(fēng)口，冷卻風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口聯(lián)通回風(fēng)口，冷卻器箱體內(nèi)設(shè)有出風(fēng)管、折流板和多根換熱管，折流板豎直設(shè)置于冷卻器箱體內(nèi)將冷卻箱體的中下部隔開，回風(fēng)口位于折流板一側(cè)，多根換熱管水平設(shè)置于冷卻箱體的中上部且部分穿過折流板，多根換熱管一端連通出風(fēng)口，另一端連通冷卻風(fēng)機(jī)，根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求可以采用離心式風(fēng)機(jī)，也可以采用軸流式風(fēng)機(jī)。圖2中顯示的是軸流式冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻器外形圖，圖1中的冷卻器采用的是離心式冷卻風(fēng)機(jī)。

從現(xiàn)場(chǎng)反饋的問題來看，冷卻器的故障率為整個(gè)發(fā)電機(jī)故障的32%[3]，兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷器結(jié)構(gòu)的故障率問題已經(jīng)成為不可忽視的嚴(yán)重問題。

1 主要故障

從本公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障率的分析數(shù)據(jù)得知，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的主要故障種類有四種：冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)燒毀問題、接線問題、機(jī)械結(jié)構(gòu)問題和其他故障問題。冷卻器的故障率如圖3所示[3]。

冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)燒毀問題占據(jù)了整個(gè)冷卻器故障的86%，據(jù)分析，部分電機(jī)燒毀故障是由于一些機(jī)械故障引發(fā)，以下是對(duì)故障種類的詳細(xì)說明。

1.1 冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)燒毀

冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)燒毀的原因有軸承損壞、葉輪損壞等原因造成的電機(jī)卡澀導(dǎo)致的電機(jī)燒毀。最重要的是由于電機(jī)的缺相運(yùn)行造成的電機(jī)燒毀。

主回路開關(guān)電器接觸不良、主回路發(fā)生短路、一相熔斷器非故障形熔斷或熔斷器失去有效保護(hù)等原因都可能造成電機(jī)的缺相情況[4]?，F(xiàn)在分析Y型接法和△型接法在缺相運(yùn)行時(shí)的電流情況[5]：

Y型：當(dāng)Y型接法的電動(dòng)機(jī)一相斷電后，其他兩相繞組串聯(lián)，如圖4（a）所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率不變時(shí)，則電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的額定電流為：

其中，Il為線電流；Ip為相電流；Ul為線電壓；PN為額定功率；cosφ為功率因數(shù)；η為效率。

當(dāng)缺相時(shí)，如A相斷線，則A相電流為零，B、C兩相電流相等且

由式（2）可知，在額定負(fù)載下，Y型接法的電機(jī)在缺相運(yùn)行時(shí)的線電流是額定線電流的倍。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，正常的繞組也會(huì)因過熱而燒毀。

△型：對(duì)△型接線的電機(jī)一相斷電后，三相定子繞組分為兩路，一路為兩相繞組串聯(lián)，另一組僅有一相繞組，如圖4（b）。設(shè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率不變，則電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的額定電流Ip=PN/(3Ulcosφ?η)，額定線電流為相斷電后，設(shè)2#繞組相電流為Ip′，則兩相繞組串聯(lián)的相電流為Ip′/2，額定功率為：

由式（3）和式（4）分析可知，在額定負(fù)載下三角接線的電動(dòng)機(jī)在缺相運(yùn)行時(shí)的線電流為額定電流的倍；2#繞組和相電流為額定相電流的2倍；1#和3#繞組的相電流為額定電流。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，2#繞組會(huì)因過熱而燒毀。

圖1 某廠家1.5MW空冷式雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

圖2 某廠家1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)用空冷器

圖3 冷卻器風(fēng)機(jī)故障類型分布

圖4 Y型接法和△型接法電機(jī)缺相運(yùn)行電流分析

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的故障中，有冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)安裝地腳斷裂、安裝螺栓斷裂或松動(dòng)、葉片斷裂、軸承損壞現(xiàn)象。雖然機(jī)械故障不是主要部分，其他故障多數(shù)是由于機(jī)械原因產(chǎn)生，例如由于振動(dòng)原因使電機(jī)軸承的損傷[6-7]，轉(zhuǎn)動(dòng)困難引起繞組燒毀；葉片斷裂后卡死，導(dǎo)致繞組燒毀；地腳斷裂及安裝螺栓斷裂導(dǎo)致振動(dòng)問題引起其他損壞，最終導(dǎo)致繞組燒毀等。還有由于冷卻風(fēng)扇的動(dòng)平衡問題最終導(dǎo)致的機(jī)械故障。

1.3 接線問題

冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)接線問題主要出現(xiàn)在接線盒內(nèi)。在現(xiàn)場(chǎng)反饋的問題中，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中報(bào)冷卻電機(jī)故障，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)其三相電阻測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其中的兩相電阻不正常，檢查線路，拆開發(fā)電機(jī)側(cè)接線盒，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)電機(jī)的相間電阻，未發(fā)現(xiàn)異常，檢查接線，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙柜側(cè)電機(jī)接線盒內(nèi)一相接線松動(dòng)，緊固后再在機(jī)艙柜側(cè)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果正常，因此確定由于發(fā)電機(jī)側(cè)接線盒內(nèi)接線松動(dòng)導(dǎo)致其空開跳閘。

在實(shí)際中還有接線盒內(nèi)的導(dǎo)線虛接現(xiàn)象，經(jīng)過排查處理后，均可以正常運(yùn)行。

1.4 其他故障

其他故障包括：由于安裝等原因，會(huì)引起軸承的損壞；惡劣環(huán)境中一些風(fēng)沙等進(jìn)入冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)中導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組葉片損壞。這些問題最終也導(dǎo)致一些機(jī)械故障，或?qū)е码姍C(jī)燒毀等問題。

2 實(shí)際冷卻風(fēng)機(jī)故障電機(jī)的拆解

發(fā)電機(jī)供應(yīng)廠商將空空冷卻器的4臺(tái)故障冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)進(jìn)行了拆解，將電機(jī)按1#—4#進(jìn)行編號(hào)，并一一檢查電機(jī)的對(duì)地電阻、電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性等，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆解。

1#電機(jī)：運(yùn)行時(shí)間8個(gè)月

故障現(xiàn)象：拆解前測(cè)量電機(jī)的對(duì)地電阻為0，拆解后發(fā)現(xiàn)該電機(jī)線圈有一處繞組燒毀，繞組已經(jīng)擊穿，電機(jī)內(nèi)部干凈整潔，電機(jī)軸承（型號(hào)為6205 RZ）無異常，端蓋無異常。內(nèi)部圖片見圖5。

故障定位：經(jīng)分析故障定位為相間擊穿。

原因分析：相間短路的原因是繞組端部相間絕緣有薄弱環(huán)節(jié)，在電機(jī)受熱或受潮的情況下，這些部位絕緣下降，最后擊穿形成相間短路?？赡艿脑蛴校海?）繞組受潮；（2）浸漆不良；（3）異物；（4）繞組絕緣受油、堿、化學(xué)腐蝕。

2#電機(jī)：運(yùn)行時(shí)間11個(gè)月

故障現(xiàn)象：電機(jī)外帶葉輪，六個(gè)葉片中已經(jīng)損壞一片，將葉輪拆下后，測(cè)量電機(jī)對(duì)地絕緣電阻正常。拆開后電機(jī)內(nèi)部有大量銹蝕灰塵，端蓋銹蝕嚴(yán)重，經(jīng)分析認(rèn)為端蓋銹蝕及電機(jī)內(nèi)部銹蝕是該電機(jī)在出廠時(shí)電機(jī)機(jī)座和端蓋內(nèi)部未刷防銹漆導(dǎo)致。電機(jī)繞組顏色正常，但電機(jī)軸承潤(rùn)滑脂有燒干的跡象，后端蓋波形彈簧圈磨損嚴(yán)重。

故障定位： 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承工作溫度過高，潤(rùn)滑脂燒干，潤(rùn)滑不足導(dǎo)致軸承不能正常工作。

原因分析：（1）固定端軸承采用擋圈定位外圈不合理。用手撥動(dòng)葉輪有明顯的竄動(dòng)現(xiàn)象，在運(yùn)行過程中有可能是波形彈簧磨損。（2）電機(jī)軸承潤(rùn)滑脂燒干而且無法進(jìn)行加注，這是此種電機(jī)安裝設(shè)計(jì)問題決定，因此高品質(zhì)潤(rùn)滑脂是解決此問題的關(guān)鍵。（3）電機(jī)振動(dòng)較大，與電機(jī)軸未帶葉輪聯(lián)合校動(dòng)平衡有關(guān)。該電機(jī)原為獨(dú)自校動(dòng)平衡后再與校過動(dòng)平衡的葉輪裝配，裝配后的電機(jī)軸可能存在很大的不平衡量，從而影響軸承的使用壽命。

3#電機(jī)：運(yùn)行時(shí)間12個(gè)月

故障現(xiàn)象：拆開前測(cè)量繞組對(duì)地絕緣電阻正常，但拆解后發(fā)現(xiàn)繞組端部對(duì)稱性兩處燒毀，且為同一相，接線盒內(nèi)所有端子顏色正常，檢查該電機(jī)軸承正常，但波形彈簧可見明顯磨損。詳細(xì)見圖6。

故障定位：繞組端部對(duì)稱性兩處燒毀，且為同一組線圈，分析認(rèn)為該故障為缺相運(yùn)行引起，僅檢查接線盒內(nèi)所有端子顏色正常，故推斷為電源斷相所致。

原因分析：電機(jī)缺相運(yùn)行比正常運(yùn)行時(shí)候的電流高，電機(jī)在過載情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致繞組燒毀，電機(jī)無法正常工作。波形彈簧圈磨損問題原因同2#電機(jī)。

圖5 1#電機(jī)拆解內(nèi)部

4#電機(jī)：運(yùn)行時(shí)間8個(gè)月

故障現(xiàn)象：電機(jī)外觀磨損嚴(yán)重，繞組對(duì)地絕緣正常，拆解后發(fā)現(xiàn)繞組正常，軸承正常（NSK軸承，型號(hào)6205DU，內(nèi)部填充白色高溫潤(rùn)滑脂），波形彈簧圈無磨損，未發(fā)現(xiàn)其他問題，重新裝配后試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

故障定位：外殼受損。

原因分析：電機(jī)墜落或是受外力撞擊。

3 針對(duì)拆解情況提出預(yù)防及應(yīng)對(duì)措施

從現(xiàn)場(chǎng)的故障分析，及對(duì)所拆解的冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)情況進(jìn)行了分析，造成冷卻器電機(jī)故障的原因有數(shù)種，現(xiàn)在對(duì)已發(fā)生的故障采取相應(yīng)的措施及對(duì)以后冷卻電機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造提出相應(yīng)的預(yù)防措施。具體如下：

（1）針對(duì)繞組受潮或是浸漆不良現(xiàn)象的措施是：加強(qiáng)絕緣的處理，如果原來只浸漆一次，建議再增加一次浸漆，保證浸漆到位；

（2）加強(qiáng)電機(jī)生產(chǎn)的過程監(jiān)控，需要與廠家確認(rèn)耐壓要求、次數(shù)，對(duì)供貨方進(jìn)行審核，必要時(shí)委派人員監(jiān)造或駐廠監(jiān)造；

（3）從整個(gè)機(jī)組的安裝方式分析，機(jī)艙及葉輪處于一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境，為了避免發(fā)電機(jī)的振動(dòng)，地腳安裝采用了彈性減震阻尼安裝方式避免由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)給發(fā)電機(jī)帶來的影響。作為冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式與發(fā)電機(jī)及其類似，如果剛性安裝，發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重振動(dòng)可能會(huì)對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的影響，致使軸承或其他部件損壞。針對(duì)此原因可以選擇與發(fā)電機(jī)安裝方式類似的減振安裝措施；

（4）改進(jìn)軸向竄動(dòng)造成波形彈簧圈磨損問題的措施是：改進(jìn)固定端軸承結(jié)構(gòu)，建議加一個(gè)軸承內(nèi)蓋，解決固定端軸承的軸向定位問題，消除軸的竄動(dòng)問題，以保證波形彈簧圈的磨損問題；

（5）從拆解的4#電機(jī)分析，軸承并無燒毀和損壞現(xiàn)象，分析得知在軸承內(nèi)部填充高溫潤(rùn)滑脂，因此對(duì)軸承的要求是：在冷卻風(fēng)機(jī)上要求使用NSK或SKF的軸承。由于冷卻電機(jī)安裝后再難以進(jìn)行維護(hù)注油等操作，因此要在軸承內(nèi)部預(yù)先填充性能較好的高溫潤(rùn)滑脂；

（6）從拆解的2#電機(jī)分析，葉輪的一根葉片已經(jīng)斷裂，分析的原因是電機(jī)原為獨(dú)自校動(dòng)平衡后再與校過動(dòng)平衡的葉輪裝配，裝配后可能存在很大的不平衡量，運(yùn)行過程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)影響。此問題的措施是：電機(jī)軸和葉輪裝配后一起重新再進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，并提高動(dòng)平衡等級(jí)至G1.0，以解決由于不平衡引起的振動(dòng)問題；

（7）根據(jù)造成缺相運(yùn)行的原因可以采取如下措施：a.在低壓電機(jī)主回路中，應(yīng)該盡可能選用自動(dòng)開關(guān)代替熔斷器作為短路保護(hù)；b.加強(qiáng)技術(shù)管理，進(jìn)行定期校核、整定或更新；c.根據(jù)電機(jī)負(fù)荷率選用合適容量的熔斷器，保證其在過載情況下及時(shí)斷開電源；

（8）在冷卻風(fēng)機(jī)的故障報(bào)警中有一部分是由于一些接線原因造成，例如，接線盒接線松動(dòng)、或由于機(jī)械振動(dòng)造成的線路磨損損壞等問題。此類問題可以采取的措施是：裝配過程中仔細(xì)檢查每根接線的牢固可靠性，在進(jìn)行機(jī)組例行檢查時(shí)加強(qiáng)線路老化磨損等問題的排除，如出現(xiàn)有磨損現(xiàn)象及時(shí)更換電纜電線等；

（9）發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家經(jīng)分析后，冷卻風(fēng)機(jī)使用的電機(jī)采用4極電機(jī)，并在部分風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)實(shí)施了更換，經(jīng)一定運(yùn)行期的跟蹤檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)的燒毀問題有所改善。因此，對(duì)以后生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)冷卻器可以采用4極電機(jī)，同時(shí)，將冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)歸為常用備件，如果出現(xiàn)故障可以及時(shí)更換，以減少此故障對(duì)業(yè)主造成的損失。

4 結(jié)語

目前，空冷式雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組是眾多風(fēng)電生產(chǎn)廠家的主打機(jī)型，在這些廠家中冷卻風(fēng)機(jī)故障已經(jīng)成為一種普遍問題。經(jīng)多方調(diào)研及分析，針對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的故障等問題可以通過優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)并采用高性能軸承、高性能軸承潤(rùn)滑脂、增加電機(jī)運(yùn)行保護(hù)、調(diào)整電機(jī)的安裝方式以改善電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境、加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)和使用4極電機(jī)等措施以降低相應(yīng)的故障率問題。

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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。

張瑩博（1984-），男，碩士，工程師，主要從事電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。