風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)分析

王志遠(yuǎn)

摘? 要：在我國倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的政策號召下，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電在我國電能供應(yīng)中占有一定的比例，對于優(yōu)化我國能源消費結(jié)構(gòu)具有重要意義。由于風(fēng)電場的運行環(huán)境比較惡劣，所以增加了風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生故障的幾率。為了保證風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定供應(yīng)，可對風(fēng)力發(fā)電機實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，及時監(jiān)控發(fā)電機的運行狀態(tài)，提高故障診斷和維修效率，確保電能的穩(wěn)定供應(yīng)。文章首先對風(fēng)力發(fā)電機采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的必要性進(jìn)行分析，然后闡述了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機中的應(yīng)用，對于提高風(fēng)力發(fā)電機的運行效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷;技術(shù)分析

中圖分類號：TM315 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0158-02

Abstract： Under the call of our country's policy of advocating energy saving and environmental protection， the use of wind energy for power generation occupies a certain proportion in China's power supply， which is of great significance for optimizing the energy consumption structure of our country. Due to the poor operating environment of the wind farm， it increases the probability of wind turbine failure. In order to ensure the stable supply of wind power generation， the condition monitoring and fault diagnosis technology can be implemented for the wind turbine， the operation status of the generator can be monitored in time， the efficiency of fault diagnosis and maintenance can be improved， and the stable supply of electric energy can be ensured. This paper first analyzes the necessity of adopting condition monitoring and fault diagnosis technology in wind turbine， and then expounds the application of condition monitoring and fault diagnosis technology in wind turbine， which is of great significance to improve the operation efficiency of wind turbine.

Keywords： wind turbine; condition monitoring; fault diagnosis; technical analysis

風(fēng)能作為可再生能源，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電不但能夠降低對資源的消耗，緩解我國資源緊張問題，而且可大大減少對環(huán)境造成的污染，為推動我國能源消費結(jié)構(gòu)也作出了巨大的貢獻(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機是進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電的核心設(shè)備，主要是將動能轉(zhuǎn)化為機械能，然后再將機械能轉(zhuǎn)換為電能。這一系列的過程需要通過發(fā)電機組內(nèi)部所有元部件的共同配合完成，但是由于風(fēng)電場一般都位于比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，發(fā)電機在運行過程中受環(huán)境影響較大，一旦發(fā)生故障，將會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。所以需要加強對風(fēng)力發(fā)電機的故障預(yù)防工作，通過對發(fā)電機進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測可以實時掌握發(fā)電機的運行狀態(tài)，并且通過對狀態(tài)監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠為故障診斷提供有力的參考依據(jù)，既能夠有效避免故障的發(fā)生，又能夠縮短故障維修的時間，提高維修效率。

1 風(fēng)力發(fā)電機采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的必要性

為了便于風(fēng)能的獲取，風(fēng)場一般都設(shè)在比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)或者近海區(qū)域，所以風(fēng)力發(fā)電機會受到陣風(fēng)、侵蝕等因素的影響。風(fēng)力發(fā)電機組一般設(shè)在50～80m的高空，在機組運行時需要承受較大的受力載荷。由于設(shè)計不合理、焊接質(zhì)量缺陷等原因會引發(fā)機組運行故障，當(dāng)出現(xiàn)陣風(fēng)時，會對葉片造成短暫而頻繁的沖擊載荷，而葉片受到的荷載又會對傳動鏈上的部件產(chǎn)生不同程度的影響而引發(fā)故障，其中風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機等受到的影響較大。計劃維修和事后維修是風(fēng)力發(fā)電機比較常用的維修方式，但是這兩種維修方式都存在一定的缺陷，計劃維修的檢修范圍不大，維修內(nèi)容不詳細(xì)，無法全面的反應(yīng)出機電設(shè)備的運行狀況。而事后維修的維修時間長，維修效率低，所以造成的經(jīng)濟損失較大。所以需要提高風(fēng)力發(fā)電機維修水平，采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)可大大提高風(fēng)力發(fā)電機運行的穩(wěn)定性和可靠性。

風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)主要是利用計算機控制系統(tǒng)，將信號采集、在線監(jiān)測和信號分析綜合運用的系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要有油液監(jiān)測、振動監(jiān)測、溫度監(jiān)測、應(yīng)變力監(jiān)測，利用安裝在風(fēng)力發(fā)電機中的檢測設(shè)備進(jìn)行信號的收集，然后通過對信號的處理、分析、判斷和診斷，就能夠及時獲取發(fā)電機的運行狀態(tài)，進(jìn)而通過控制中心對發(fā)電機的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可有效預(yù)防故障的發(fā)生。油液監(jiān)測技術(shù)主要是通過對潤滑油和液壓油的性能進(jìn)行分析，以此來掌握設(shè)備的潤滑及磨損狀態(tài)。振動監(jiān)測主要是通過振動信號的收集來分析風(fēng)力發(fā)電機的機械故障，比如轉(zhuǎn)子不平衡，轉(zhuǎn)軸彎曲等。溫度監(jiān)測主要是通過溫度傳感器獲取設(shè)備的運行溫度，常用于電子和電氣元件的故障診斷，能夠比較直觀的反應(yīng)設(shè)備的運行狀態(tài)。應(yīng)變力監(jiān)測主要是通過應(yīng)變力傳感器來獲取信息，主要用于葉片壽命的預(yù)測和疲勞狀況的監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷，通過對各項數(shù)據(jù)信息的收集整理，能夠?qū)崟r監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機各個部件的運行狀態(tài)，可有效遏制安全事故的發(fā)生，提高風(fēng)力發(fā)電機運行的穩(wěn)定性和可靠性。

2 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機中的應(yīng)用

2.1 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機中連接主軸和發(fā)電機的重要部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，尤其是在運行工況和載荷發(fā)生變化的情況下，發(fā)生故障的幾率會有所增加。由于齒輪箱故障而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機故障的占比較大，不僅維修成本高，且因為停機所造成的發(fā)電量損失巨大，所以對齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷非常重要。齒輪和軸承是齒輪箱比較常見的故障部位，斷齒、齒面疲勞、膠合是齒輪常見故障類型，磨損、點蝕、裂紋、表面剝落是軸承常見故障類型，任何一種故障類型都會影響到齒輪箱的正常運轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電機規(guī)模的擴大，對齒輪箱的性能要求也越來越高，所以要保證齒輪箱的安全可靠運行。振動監(jiān)測和溫度監(jiān)測在齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測中比較常用，振動監(jiān)測主要是利用振動測量儀器對齒輪箱的振動頻率進(jìn)行檢測紀(jì)錄，然后將測得的實際運行數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)齒輪箱中各部件的運行狀態(tài)。故障特征頻率是判斷齒輪和軸承健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，所以通過時域信號統(tǒng)計能夠初步診斷出齒輪箱故障點及原因，然后再利用快速傅里葉變換和功率譜對初步診斷的結(jié)果進(jìn)行再次確認(rèn)。溫度測量法主要是通過溫度傳感器對齒輪箱零部件運行過程中的溫度變化進(jìn)行識別和診斷，通過與常態(tài)進(jìn)行對比，能夠及時獲知齒輪箱零部件的狀態(tài)信息。

2.2 葉片狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

葉片在風(fēng)力發(fā)電機中主要是吸收風(fēng)能，長期處于露天環(huán)境下，對葉片造成的損傷較大。葉片長度一般在30～40m，所以在運行過程中出現(xiàn)的顫振會導(dǎo)致葉片出現(xiàn)疲勞裂紋，如果在近海地區(qū)還會受到海水濕氣的腐蝕，陣風(fēng)和雷擊也是影響葉片運行安全的重要因素。為了保證葉片運行的安全性，對葉片的材料、質(zhì)量和體積都有嚴(yán)格的要求。一旦葉片發(fā)生故障，不僅會造成葉片本身的損壞，還會威脅到整機運行的安全性。對葉片的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是通過應(yīng)力應(yīng)變測量來實現(xiàn)，但是受到葉片材料以及運行環(huán)境的影響，對應(yīng)力應(yīng)變傳感器有一定的要求。光纖光柵傳感器因為具有較好的抗電磁干擾、抗腐蝕、尺寸小、壽命長等優(yōu)點，比較適用于葉片的應(yīng)力應(yīng)變檢測，在預(yù)測葉片使用壽命中具有重要作用。為了彌補光纖光柵傳感器的不足，還可將聲發(fā)射檢測和紅外成像檢測結(jié)合運用。利用聲發(fā)射檢測能夠檢測出葉片因與空氣沖擊導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力集中斷裂以及變形時釋放的應(yīng)力波，以此來判斷葉片健康狀況。紅外成像檢測技術(shù)可對葉片表面裂紋、剝落等呈現(xiàn)的熱輻射能量分布狀態(tài)來識別葉片的健康狀態(tài)。

2.3 發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機中的核心部件，其主要功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。由于發(fā)電機長期處于工況變化以及電磁環(huán)境中，且由于機組規(guī)模的擴大對發(fā)電機的密封保護(hù)增加一定的難度，所以經(jīng)常會出現(xiàn)振動過大、發(fā)電機過熱、軸承過熱、轉(zhuǎn)子/定子線圈短路等故障，其中軸承故障、定子故障及轉(zhuǎn)子故障占據(jù)較大比例。對于發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是對轉(zhuǎn)子/定子電流信號、電壓信號以及輸出功率信號進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，通過對電流信號的時域分析獲取幅值數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過諧波分量的變化來判斷發(fā)電機故障類型。比如對轉(zhuǎn)子偏心故障的識別中，通過輸出電流、電壓、功率等信號的獲取，能夠判斷出是軸承過度磨損還是其他故障類型。

2.4 其他部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

電氣系統(tǒng)也是風(fēng)力發(fā)電機的重要組成部分，通過變頻器等電氣設(shè)備向電網(wǎng)輸送電能，并且對電氣系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。電氣系統(tǒng)中比較常見的故障主要有短路、過電壓、過電流及過溫等，任何故障的發(fā)生都可能造成發(fā)電機的損壞。根據(jù)電氣系統(tǒng)的故障特點，主要是采取性能參數(shù)檢測的方法，對輸出電壓、電流、功率及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，從而判斷電氣系統(tǒng)的健康狀態(tài)。對于液壓傳動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是通過油液監(jiān)測的方法來完成，對潤滑油及液壓油中的顆粒物進(jìn)行檢測，通過顆粒的形狀、粒徑、狀態(tài)等來判斷液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的部位，從而采取相應(yīng)的防控手段。對于風(fēng)力發(fā)電機中各部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，主要是根據(jù)各部件的運行環(huán)境和運行狀態(tài)來決定采取哪種監(jiān)測方式，只有最適宜的方式才能夠確保獲取最佳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過對數(shù)據(jù)的分析和整理，再制定出相應(yīng)的防控措施。通過對狀態(tài)監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)分析，還能夠為風(fēng)機系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)提供有力的參考依據(jù)，所以要保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

因為風(fēng)力發(fā)電機的組件檢修較為繁瑣，加之運行環(huán)境比較惡劣，所以為發(fā)電機維修增加一定的困難。計劃檢修和停機檢修是發(fā)電機維護(hù)的主要手段，但卻會提高維修成本，并且會因為拆裝等環(huán)節(jié)增加不必要的故障隱患。為了提高發(fā)電機運行的可靠性和穩(wěn)定性，利用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)可有效監(jiān)測出傳動系統(tǒng)和發(fā)電機系統(tǒng)的內(nèi)部故障，減少因為非計劃停機和定期維修等產(chǎn)生的維修成本。同時通過對發(fā)電機進(jìn)行的狀態(tài)監(jiān)測能夠比較全面而詳細(xì)地獲取發(fā)電機運行過程中的各項數(shù)據(jù)，在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后，可有針對性的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并且做好各項防范措施，減少發(fā)電機發(fā)生故障的幾率，提高風(fēng)力發(fā)電的效率和質(zhì)量。

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