風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)分析

房艷平

摘 要：為響應(yīng)我們國(guó)家最新倡導(dǎo)的有關(guān)節(jié)能和環(huán)保的政策和要求，利用風(fēng)能發(fā)電大大提高了我國(guó)電力供應(yīng)的比重。風(fēng)電場(chǎng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境增加了風(fēng)力渦輪機(jī)故障的可能性。為保證風(fēng)電的穩(wěn)定供應(yīng)，我們可以進(jìn)行關(guān)與風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)跟診斷故障的技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，增強(qiáng)維護(hù)跟故障診斷的效果效率，確保穩(wěn)定供應(yīng)電能。本文首先分析了使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障排除技術(shù)的必要性，然后闡述了如何應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障排除技術(shù)。

關(guān)鍵詞：技術(shù)分析;故障;發(fā)電機(jī);診斷;狀態(tài)監(jiān)測(cè)

風(fēng)電不僅可以解決目前電力資源緊缺的問(wèn)題，而且在中國(guó)實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理念，并且具有非常環(huán)保的效果。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中比較危險(xiǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要部件的狀況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維修一般采用售后維修或計(jì)劃維修。監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)跟對(duì)其的實(shí)時(shí)故障診斷可以對(duì)發(fā)電機(jī)的主要部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證各部件的正常運(yùn)行。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述及發(fā)電機(jī)組故障特點(diǎn)

1.1 風(fēng)力渦輪機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是指通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能和電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)換后的電能通過(guò)調(diào)壓操作傳輸?shù)接脩?hù)中心跟電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)這些年的相關(guān)發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建設(shè)也日趨完善，而傳統(tǒng)的恒速恒頻電機(jī)逐漸改進(jìn)，采用新的技術(shù)和設(shè)備對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行升級(jí)和改進(jìn)。而出現(xiàn)了新的變速恒頻的技術(shù)它可以引入變流技術(shù)，結(jié)合風(fēng)速變化調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持相對(duì)恒定的輸出頻率。變速恒頻技術(shù)也可以用來(lái)保證風(fēng)力發(fā)電的質(zhì)量，因此變速恒頻技術(shù)在我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

1.2 發(fā)電機(jī)組故障特征

風(fēng)電場(chǎng)通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)和高山，在風(fēng)力變化不定、自然環(huán)境惡劣、外載荷不確定等相關(guān)因素的變化下，風(fēng)機(jī)內(nèi)部部件發(fā)生故障的概率非常高。常見(jiàn)的設(shè)備故障包括變速箱、發(fā)電機(jī)和逆變器。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障主要是由發(fā)電機(jī)過(guò)熱引起的、運(yùn)行振動(dòng)過(guò)大和溫度過(guò)高引起的。而這些容易出現(xiàn)的故障主要因?yàn)檩S承的損壞、定子繞組的絕緣磨損和轉(zhuǎn)子平衡引起。因此，有必要采用一種有效的方法來(lái)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)不同的故障和部件進(jìn)行故障診斷。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常出現(xiàn)的故障

2.1 雙饋感應(yīng)的發(fā)電機(jī)組相關(guān)故障

定子與轉(zhuǎn)子：繞組接地、匝間短路、相間短路、絕緣電阻低、絕緣燒毀、轉(zhuǎn)子電橋斷線(xiàn)、電纜引線(xiàn)斷線(xiàn)、燒壞等;軸承：軸承燒損、軸承振動(dòng)、軸承噪音等。冷卻系統(tǒng)：冷水機(jī)故障，冷卻風(fēng)扇故障、進(jìn)出口溫度偏差等，滑環(huán)碳刷系統(tǒng)：環(huán)火、滑環(huán)損壞、碳刷燒毀等;整機(jī)：三相電磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)、氣隙偏心、相電流諧波分量增大、電機(jī)損耗增大、振動(dòng)異常、噪音過(guò)大等。此外，潤(rùn)滑油（脂）泄漏、自動(dòng)注油器故障、編碼器故障、機(jī)內(nèi)異物等也是發(fā)電機(jī)的常見(jiàn)故障。

2.2 直驅(qū)永磁的發(fā)電機(jī)相關(guān)故障說(shuō)明

由于轉(zhuǎn)子的永磁結(jié)構(gòu)，存在磁鋼脫落、磁鋼失去磁力等缺陷。除了滑環(huán)碳刷系統(tǒng)沒(méi)有故障外，其他故障與上述常見(jiàn)故障類(lèi)似。你提到了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

2.3 失效分析

繞組故障會(huì)在短期內(nèi)引起大電流，導(dǎo)致溫度急劇上升，同時(shí)三相繞組不對(duì)稱(chēng)，在繞組中容易產(chǎn)生諧波分量。軸承故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏心和振動(dòng)。而定子繞組中的間隙偏心感應(yīng)出相應(yīng)的諧波電流。冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致溫度異常升高。滑環(huán)碳刷系統(tǒng)故障增加接觸電阻或斷開(kāi)勵(lì)磁回路，導(dǎo)致勵(lì)磁磁場(chǎng)失效，定子繞組不能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，磁體氣隙失效，磁電勢(shì)不平衡，感應(yīng)電勢(shì)改變定子繞組。機(jī)器中的異物會(huì)導(dǎo)致過(guò)度振動(dòng)和過(guò)度噪音。即使是定子和轉(zhuǎn)子的掃描也會(huì)導(dǎo)致電壓、電流、效率和損耗的變化。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)中對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)跟故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

3.1 齒輪箱故障診斷跟狀態(tài)監(jiān)測(cè)

齒輪箱是連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸和發(fā)電機(jī)的重要部件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜，特別是工況和載荷變化時(shí)，失效概率增大。由于齒輪箱的故障，對(duì)齒輪箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常重要。風(fēng)電機(jī)組故障率高，維護(hù)費(fèi)用高，停機(jī)造成發(fā)電損失。齒輪和軸承是齒輪箱中常見(jiàn)的缺陷零件。牙齒斷裂、牙面疲勞和粘連是常見(jiàn)的牙體缺損。磨損、孔洞、裂紋和表面裂紋是軸承常見(jiàn)的失效形式。所有類(lèi)型的故障都會(huì)影響齒輪。箱子運(yùn)轉(zhuǎn)正常。隨著風(fēng)電機(jī)組規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)變速箱的性能要求越來(lái)越高，因此必須保證變速箱的安全可靠運(yùn)行。齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)通常采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要是用振動(dòng)計(jì)檢測(cè)并記錄齒輪箱的振動(dòng)頻率，然后將實(shí)測(cè)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出齒輪?？蛑忻總€(gè)組件的運(yùn)行狀態(tài)。由于故障特征頻率是判斷齒輪和軸承狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，時(shí)域信號(hào)統(tǒng)計(jì)可以對(duì)齒輪箱的優(yōu)點(diǎn)和原因進(jìn)行預(yù)診斷，并對(duì)其進(jìn)行快速傅立葉變換和功率譜的測(cè)量。用于再次確認(rèn)初步診斷。

3.2 葉片健康監(jiān)測(cè)與故障診斷

風(fēng)力機(jī)的葉片主要吸收風(fēng)能，長(zhǎng)期暴露在外會(huì)對(duì)葉片造成很大的損傷。葉長(zhǎng)一般為30-40m。在運(yùn)行過(guò)程中，顫振會(huì)導(dǎo)致葉片疲勞開(kāi)裂。在近岸海域，當(dāng)葉片受到海水腐蝕時(shí)，陣風(fēng)和雷電也是影響葉片安全運(yùn)行的重要因素。對(duì)葉片的材質(zhì)、質(zhì)量和體積都有嚴(yán)格的要求，以保證葉片的安全運(yùn)行。當(dāng)葉片發(fā)生故障時(shí)，不僅會(huì)損壞葉片，還會(huì)威脅到整機(jī)的安全。雖然葉片的健康監(jiān)測(cè)和故障診斷主要通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于葉片材料和工作環(huán)境的影響，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變傳感器有一定的要求。光纖光柵傳感器具有抗靜電電磁干擾、抗腐蝕、體積小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，更適合于葉片應(yīng)力和變形的檢測(cè)，對(duì)預(yù)測(cè)葉片的使用壽命具有重要作用。聲發(fā)射檢測(cè)和紅外成像檢測(cè)也可以結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)光纖光柵傳感器的不足。

3.3發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，其主要功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。運(yùn)行工況和電磁環(huán)境的長(zhǎng)期變化，以及裝置尺寸的擴(kuò)大，在一定程度上增加了發(fā)電機(jī)的密封保護(hù)，往往導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的過(guò)度振動(dòng)和過(guò)熱。軸承和轉(zhuǎn)子/定子線(xiàn)圈短路故障、軸承故障、定子故障和轉(zhuǎn)子故障占很大比例。發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷主要監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子/定子電流信號(hào)、電壓信號(hào)和輸出功率信號(hào)。通過(guò)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，得到幅值信息，進(jìn)而確定諧波含量。確定發(fā)電機(jī)故障類(lèi)型。

3.4監(jiān)控其他組件的健康狀態(tài)并診斷錯(cuò)誤

電氣系統(tǒng)也是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)變頻器和其他電氣設(shè)備將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，并相應(yīng)地控制電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)的常見(jiàn)故障主要有短路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等。任何故障都可能損壞發(fā)電機(jī)。根據(jù)電氣系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，性能參數(shù)檢測(cè)方法主要用于監(jiān)測(cè)輸出電壓、電流、功率、溫度等數(shù)據(jù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定電氣系統(tǒng)的狀態(tài)。液壓傳動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷主要是通過(guò)油液監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)潤(rùn)滑油和液壓油中的微粒。液壓系統(tǒng)的故障可以通過(guò)形狀、粒度、狀態(tài)和狀態(tài)來(lái)判斷。顆粒物應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。

結(jié)束語(yǔ)：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀況直接影響著人們的生活質(zhì)量。預(yù)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)將在未來(lái)得到推廣。

參考文獻(xiàn)：

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