風力發(fā)電機絕緣失效原因及改進措施

劉軍偉，崔明，盧江躍，李華陽，鐘云龍

（上海電氣風電集團股份有限公司，杭州 310028）

0 引言

近年來，隨著技術(shù)成本不斷優(yōu)化和價格競爭力逐年提升，風力發(fā)電全球裝機范圍不斷擴大、容量也實現(xiàn)快速增長。然而，風電機組裝機環(huán)境隨之變得復雜、多樣和嚴酷，這給發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的可靠性帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。研究表明，除傳統(tǒng)意義上的振動、溫升、機械應力等老化因子外，伴隨新型半導體變流技術(shù)應用而產(chǎn)生的復雜電應力，以及環(huán)境因素如冷熱沖擊、潮濕、鹽霧等也在風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)失效模式中發(fā)揮著越來越不容忽視的作用［1－2］。

開展絕緣系統(tǒng)運行環(huán)境和失效模式的特殊性研究，是風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)改進、優(yōu)化的重要前提，對降低發(fā)電機絕緣故障發(fā)生概率和運維成本，提高機組可利用率具有重要意義。本文對風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)故障的損失影響進行了闡述；對發(fā)電機運行條件和絕緣失效原因進行了匯總和分析；在此基礎(chǔ)上，提出了風力發(fā)電機絕緣優(yōu)化改進措施。

1 絕緣故障損失模型

根據(jù)運行經(jīng)驗，風力發(fā)電機絕緣故障極有可能引發(fā)較大的經(jīng)濟損失。以陸上某型號直驅(qū)發(fā)電機數(shù)據(jù)為例，建立了因絕緣故障下塔產(chǎn)生的費用損失模型，如圖1所示。從模型可以看出，包括材料、人工、運輸、吊裝設(shè)備租賃費等直接費用，和維修期間發(fā)電量減少導致的間接損失在內(nèi)，發(fā)電機更換一次平均經(jīng)濟損失將會高達121萬元。

經(jīng)分析，絕緣故障引起風機維修產(chǎn)生巨額費用的原因主要有3點：（1）多數(shù)發(fā)電機絕緣故障無法通過檢測手段提前預知，且可能批量發(fā)生；（2）絕緣故障發(fā)生后，多數(shù)不可徹底恢復或者僅能短暫恢復，繼續(xù)發(fā)展有導致發(fā)電機燒毀的極大可能，典型案例如圖2所示； （3）風機安裝位置不易到達，絕緣故障可維性差，發(fā)電機維修更換費用高、難度大。

圖1 某型號直驅(qū)電機絕緣故障更換平均損失模型

圖2 絕緣故障導致電機損壞的典型案例

2 絕緣失效原因分析

統(tǒng)計研究表明，發(fā)電機運行過程存在的高頻脈沖電應力，以及溫度交變、潮濕、鹽霧等環(huán)境應力是導致發(fā)電機絕緣老化、擊穿問題產(chǎn)生的主要根源。

2.1 高頻脈沖的影響

采用高速永磁或直驅(qū)永磁技術(shù)的發(fā)電機定子、以及雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與變流器直接相連，繞組匝間絕緣、對地絕緣都承受了較為苛刻的電應力。劉學忠等［3］以額定電壓為690 V的1.5 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為例，對定子側(cè)出現(xiàn)的脈沖尖峰電壓進行了波形測量。測試結(jié)果表明，作用在定子線圈上的脈沖電壓變化率du／dt大于1 kV／μs，重復頻率約為2 kHz，脈沖尖峰電壓峰值達到1.5 kV，遠高于其690 V的額定電壓。

與正弦電壓相比，變頻器輸出的脈沖方波在繞組絕緣上產(chǎn)生的電應力主要有兩點不同：一是脈沖電壓在線圈上分布不均，尤其目前很多機組采用變流器置于塔底的設(shè)計，極大增加了機側(cè)電纜長度，繞組首末匝線圈因此可能承受最高80%的過電壓幅值，遠超平均匝間電壓的10倍以上［4］；二是電壓幅值、形狀、極性等有很大差異，高頻脈沖方波更易引起絕緣內(nèi)部產(chǎn)生局部放電，誘發(fā)介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷和臭氧氧化效應（圖3），提高聚合物材料的老化分解速度，進而導致絕緣過早失效擊穿［5］。

2.2 潮濕的影響

風力發(fā)電機屬戶外運行電機，因運行氣候條件惡劣，防護等級低等原因，繞組容易受潮，部分案例甚至出現(xiàn)被雨水淋濕的極端情況。電機設(shè)計、絕緣工藝處理不當，或絕緣過早老化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會產(chǎn)生間隙、微孔或分層。此時，因擴散或“呼吸”作用，潮濕空氣滲入繞組，將會威脅電機安全運行。

陳洪武等［6］以大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為例，對其結(jié)構(gòu)特點進行了總結(jié)，認為下述幾個問題容易導致絕緣出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)：（1）定子線圈數(shù)量多、節(jié)距?。唬?）嵌線、并頭、連線空間狹小、操作不便，如圖4所示；（3）定子體積大、轉(zhuǎn)運困難導致VPI滴漆時間延長。以上3個特點導致直驅(qū)發(fā)電機定子絕緣處理工作量大、一致性難以保證，對產(chǎn)品的批量制造質(zhì)量控制和長期穩(wěn)定運行增加了不小的難度。

圖3 高分子絕緣材料電暈放電老化過程

圖4 典型直驅(qū)發(fā)電機定子并頭及絕緣處理位置

圖5 絕緣結(jié)構(gòu)熱機械耐久性評定過程

2.3 溫度交變的影響

由于風資源的不穩(wěn)定性，風機頻繁啟停和晝夜溫差產(chǎn)生的溫度交變、沖擊將會帶來周期性的熱機械應力作用，嚴重影響發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的整體性。特別在機組大型化趨勢下，電機軸向長度加長，金屬及絕緣材料熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的影響會導致上述問題進一步加劇。標準IEC 60034－18－34［7］描述了熱機械應力引發(fā)絕緣老化失效的機理，認為熱機械應力周期作用促使繞組絕緣樹脂粘結(jié)力降低，絕緣層間分層、周向裂紋，繞組變形引起機械損傷等老化現(xiàn)象發(fā)展并累積，最終完全破壞絕緣。同時，標準規(guī)定了一個溫度交變循環(huán)試驗（通常要求開展500周期以上，過程如圖5所示），用以驗證絕緣結(jié)構(gòu)對熱機械應力老化的抵抗能力。

雷林璋等［8］設(shè)計了類似的溫度沖擊試驗過程，但大大增加了應力水平，即通過周期性的高溫加熱／浸水試驗，考核、評價直驅(qū)風力發(fā)電機絕緣對極端溫度交變和沖擊的耐受能力，具有一定參考意義。

2.4 鹽霧的影響

海洋面積遼闊、風能資源豐富，因此離岸型風力發(fā)電機是風電行業(yè)的一個重要發(fā)展方向。然而海上的高濕、鹽霧等自然條件增加了離岸型風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的設(shè)計難度。統(tǒng)計數(shù)據(jù)［1］顯示，中國渤海、黃海、東海和南海4個海域綜合月均相對濕度為65.9%RH～88.2%RH，而中國東海沿海的鹽霧日均沉降率達到8.2 ～33.1 mg／（m2·d）。受濕度和鹽霧的影響，絕緣材料長時間暴露在海洋大氣中性能會呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

陳健等［9］通過鹽霧試驗對雙饋型風力發(fā)電機定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)的耐鹽霧性能進行了研究，結(jié)果表明，鹽霧腐蝕條件下，絕緣結(jié)構(gòu)電阻率和工頻擊穿電壓呈現(xiàn)明顯下降趨勢。主要是因為鹽霧曝露改變了聚合物材料表面的物理形態(tài)和化學成分，導致疏水基團減少，降低了材料表面憎水性，加速形成導電軌跡并降低絕緣層的電氣絕緣性能。

3 絕緣失效原因分析

基于以上失效因素的研究內(nèi)容，認為可以從材料、結(jié)構(gòu)、工藝及質(zhì)量管控等幾方面入手，提高風力發(fā)電機的絕緣可靠性和運行壽命。

3.1 材料優(yōu)化

從風力發(fā)電機普遍采用變頻器供電的角度考慮，設(shè)計時需要強化匝間絕緣材料的耐電暈性能。采用成型繞組的兆瓦級風力發(fā)電機匝間絕緣通常采用耐電暈薄膜燒結(jié)或云母帶繞包兩種設(shè)計。得益于材料廉價、起暈電壓高和耐電暈壽命長等優(yōu)點，云母繞包設(shè)計應用相對更為廣泛，適合風力發(fā)電機這種對匝間絕緣減薄要求不高的領(lǐng)域。此外，發(fā)電機絕緣性能在很大程度上也取決于所選VPI樹脂體系。從目前風電制造行業(yè)使用最多的3種主流VPI樹脂體系：聚酯亞胺、環(huán)氧樹脂以及環(huán)氧改性不飽和聚酯的性能對比看，后者克服了環(huán)氧樹脂耐熱低的缺點，粘接強度和機械性能又比聚酯亞胺具有優(yōu)勢，有助于絕緣結(jié)構(gòu)抵抗因溫度交變產(chǎn)生的熱機械應力老化作用，在風電行業(yè)具有更大應用潛力。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對離岸型風機，鹽霧腐蝕絕緣結(jié)構(gòu)主要通過兩個途徑，一種是從絕緣結(jié)構(gòu)通道（如氣隙等）進入，由內(nèi)而外腐蝕鐵心及絕緣；另一種是突破絕緣表面防護，從外到內(nèi)對絕緣和沖片進行腐蝕。對前者來說，可以通過改善VPI浸漆效果（如采用兩次VPI浸漆工藝等），減少絕緣結(jié)構(gòu)性通道和孔隙；而對于后者來說，在發(fā)電機定轉(zhuǎn)子表面涂覆具有耐鹽霧腐蝕作用的絕緣涂料（氟硅橡膠、氟碳磁漆等），可以顯著提高發(fā)電機絕緣結(jié)構(gòu)的耐鹽霧性能［2］，最終提高絕緣結(jié)構(gòu)的整體性和發(fā)電機長期運行的可靠性。

3.3 工藝優(yōu)化

陳洪武等［6］通過對永磁直驅(qū)發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方案的研究分析，提出了一些提高絕緣整體性和密封性的工藝改進措施，包括：（1）加強線圈引線頭絕緣；（2）改進焊接處絕緣包扎方式；（3）接頭焊接臺階處做好適形填充；（4）引線根部及線圈鼻端加墊絕緣； （5）優(yōu)化工藝并減少焊接時間；（6）線圈端部及端環(huán)補澆絕緣漆；（7）嵌線翻槽工藝優(yōu)化等。此外，考慮VPI工藝的重要性，采用二次浸漆，或者通過對真空／壓力參數(shù)、滴漆時間、旋烘轉(zhuǎn)速等參數(shù)的優(yōu)化組合，提高VPI工藝合理性也具有不錯的效果。

3.4 加強質(zhì)量管控

風力發(fā)電機產(chǎn)品制造過程尤其是VPI浸漆過程中產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，是造成產(chǎn)品絕緣故障比例偏高的主要因素之一。通過制定有效的驗收方法和標準，如淋水／浸水試驗等，可以及時暴露發(fā)電機絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，是檢驗和控制產(chǎn)品質(zhì)量分散性的有效手段。具體措施是：試驗用水加入非離子型潤濕劑，然后定子按規(guī)定時間和次數(shù)間斷淋水，或連續(xù)2 h浸水，使用兆歐表測試并記錄樣品的1 min絕緣電阻，淋水高于500 MΩ或浸水高于50 MΩ即為合格。

4 結(jié)束語

由于裝機運行環(huán)境惡劣及風資源的不穩(wěn)定性，戶外運行的風力發(fā)電機絕緣故障有其產(chǎn)品特殊性。本文通過調(diào)研，總結(jié)了風機運行時包括脈沖電壓、潮濕、溫度交變和鹽霧在內(nèi)的典型工況參數(shù)，分析了上述因素對發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的影響和故障發(fā)展機理。在此基礎(chǔ)上，針對絕緣薄弱環(huán)節(jié)，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝優(yōu)化和質(zhì)量管控等方面提出了一些優(yōu)化改進建議。通過上述措施，可以一定程度提高質(zhì)量缺陷的可探測性，降低絕緣缺陷產(chǎn)生的概率，確保了風力發(fā)電機的長期安全運行，并從絕緣角度進一步拓寬了風機產(chǎn)品的環(huán)境適應能力。