風(fēng)電變流器預(yù)防性維護(hù)檢測技術(shù)應(yīng)用研究

胡占飛

摘 要 自從20世紀(jì)90年代開始，為了促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)的快速發(fā)展，國家推出了一系列風(fēng)電發(fā)展支持政策，尤其是2005年初的《中華人民共和國可再生能源法》，極大地鼓舞了各方投資者和風(fēng)電供應(yīng)商的開發(fā)熱情，市場上的主流產(chǎn)品迅速從定槳距恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組升級為以變流器為核心的變槳距變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，并隨之在2007—2010年迎來了我國風(fēng)電并網(wǎng)的首個小高峰。時至今日，當(dāng)年大規(guī)模投入運(yùn)行的雙饋及直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)壽命過半，其變流器系統(tǒng)各部件都呈現(xiàn)出不同程度的老化，從而造成難以察覺的安全隱患，嚴(yán)重時甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。鑒于早期大規(guī)模集中式風(fēng)電開發(fā)的快速發(fā)展，目前越來越多的風(fēng)電機(jī)組逐漸進(jìn)入老化故障期，針對上述風(fēng)電變流器內(nèi)部器件劣化引發(fā)的電氣火災(zāi)，有必要開展有效的狀態(tài)監(jiān)測和隱患排查。

關(guān)鍵詞 風(fēng)電變流器;預(yù)防性維護(hù)檢測;紅外檢測;超聲波檢測

引言

近年來，隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的穩(wěn)步增長，其功率變流器的容量也隨之增加，電氣結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，電子元件負(fù)載加大，這些變化都極大影響并提高了功率變流器的故障率。同時，風(fēng)電場經(jīng)常建立在風(fēng)資源豐富但氣候復(fù)雜的地區(qū)，功率變流器的工作環(huán)境極其惡劣，發(fā)生故障在所難免。風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率變流器的核心組件是功率開關(guān)元器件，即絕緣柵雙極晶體管InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）模塊。近年來雖然有一些成果，但鮮有能同時診斷功率變流器IGBT模塊單一和雙開路故障的，且存在誤判、漏判和準(zhǔn)確率較低的缺陷。并且，由于保護(hù)模塊的作用，短路故障會轉(zhuǎn)變成開路故障。所以，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率變流器IGBT模塊開路故障的診斷是至關(guān)重要的。

1劣化因素分析

（1）電氣因素。因風(fēng)電機(jī)組故障或超發(fā)引起的變流器過電流造成其內(nèi)部導(dǎo)體和絕緣材料局部過熱老化;過負(fù)荷分合斷路器和接觸器時因電弧火花造成的觸頭氧化及接頭燒蝕;因操作過電壓、雷電過電壓造成絕緣強(qiáng)度下降;因絕緣材料局部放電造成的單點(diǎn)破壞逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致整體絕緣的全面劣化。

（2）各種電氣設(shè)備接線錯誤問題。一個電流互感器需連接多種電氣設(shè)備，一旦出現(xiàn)人為失誤致使電氣設(shè)備間的接線混亂，極有可能造成整體電路系統(tǒng)短路，影響整個電路系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和人員的生命安全。

（3）環(huán)境因素。風(fēng)電變流器所處環(huán)境相對惡劣，因高溫發(fā)熱、鹽霧潮濕、灰塵油污以及紫外線輻射等都無法估計(jì)，造成其內(nèi)部接頭部位接觸不良、器件連接點(diǎn)氧化腐蝕以及絕緣材料變質(zhì)老化;因老鼠、白蟻等小動物咬壞電纜、浸水等造成的破損[1]。

2預(yù)防性維護(hù)檢測技術(shù)

（1）超聲波檢測技術(shù)。對于放電型隱患，可以利用超聲波檢測設(shè)備對工作狀態(tài)下的風(fēng)電變流器進(jìn)行測量，比較典型的有超聲波局部放電檢測儀，其基本原理是利用外差法將電氣局部放電所產(chǎn)生的高頻噪聲通過壓電原理先行轉(zhuǎn)化為電流信號，然后再通過內(nèi)部處理將其轉(zhuǎn)化為人耳可聽的音頻信號，并在通過高頻接收器接收電氣設(shè)備產(chǎn)生的超聲波信號時對其音質(zhì)和強(qiáng)度進(jìn)行分析，這樣可以快速檢測出放電現(xiàn)象并精確定位故障點(diǎn)，從而及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的隱患缺陷。

（2）狀態(tài)量檢測。電力狀態(tài)量檢測主要是針對電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，對電力計(jì)量裝置的整體運(yùn)行情況進(jìn)行充分的分析，并結(jié)合實(shí)際的情況，對電力計(jì)量裝置運(yùn)行過程中各種變量的負(fù)荷特點(diǎn)以及變化情況進(jìn)行科學(xué)有效的分析，從而從整體上判斷電力計(jì)量裝置是否存在異常情況。并通過對電力狀態(tài)量進(jìn)行有效監(jiān)測，及時了解用戶的用電情況。在這個過程中，對于電路以及電線的損壞情況也要及時掌握，從而保證電力的正常運(yùn)行。

（3）紅外檢測技術(shù)。對于過熱型隱患，可以利用紅外檢測設(shè)備對工作狀態(tài)下的風(fēng)電變流器進(jìn)行測量，比較典型的主要有紅外測溫儀、紅外熱像儀和紅外熱電視，其中最具備智能故障診斷開發(fā)能力的紅外熱像儀，其基本原理是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡，接收被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并將其反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，并利用不同的顏色代表被測物體的不同溫度，然后應(yīng)用圖像處理技術(shù)，分析出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

3風(fēng)電變流器預(yù)防性維護(hù)檢測方案

（1）斷路器。主斷路器是風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)線路連接的核心保護(hù)器件，對整個機(jī)組起到安全保護(hù)作用。目前主斷路器基本具備計(jì)數(shù)功能，但由于斷路器在故障時會帶大電流分?jǐn)?，?dǎo)致內(nèi)部絕緣下降，動作次數(shù)只能作為參考，可以通過紅外技術(shù)檢測其內(nèi)部動靜觸頭及外部接頭處的溫度分布來判斷是否接觸不良，通過超聲波檢測技術(shù)檢測斷路器滅弧室是否存在局部放電。

（2）電流互感器接地。為防止此類安全隱患的產(chǎn)生，所有電流互感器都會將二次系統(tǒng)的二次線圈接入地線。它是保障電流互感器二次系統(tǒng)正常運(yùn)行和工作人員人身財(cái)產(chǎn)安全最有效的屏障。所有電路系統(tǒng)中電流互感器在投入運(yùn)行前務(wù)必加強(qiáng)檢測工作，謹(jǐn)防電流互感器二次點(diǎn)接地和一次系統(tǒng)絕緣性被破壞，一旦出現(xiàn)電路電纜損壞，需立即進(jìn)行斷電搶修。

（3）電阻器。風(fēng)電變流器中為了防止主接觸器閉合后直流母線的支撐電容瞬間短路，通常設(shè)置了預(yù)充電電阻用于直流母線預(yù)充電;同時，為了保障風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落的一定范圍內(nèi)能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，低電壓穿越回路上通常配置Crowbar電阻用來平衡有功并保護(hù)機(jī)組。如果電阻器內(nèi)部出現(xiàn)接觸不良，或者引線松動、脫落甚至斷裂等造成阻值變化或者斷路時都會呈現(xiàn)出熱效應(yīng)的非正常現(xiàn)象，可以通過紅外熱成像技術(shù)檢測出其是否正常[3]。

4結(jié)束語

針對風(fēng)電變流器的現(xiàn)場檢測實(shí)施，應(yīng)該在現(xiàn)有定檢運(yùn)維的基礎(chǔ)上針對紅外檢測和超聲波檢測逐步探索其定制化的運(yùn)檢方案，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，以提高預(yù)防性維護(hù)檢測的可靠性與準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 高亞真，黃守道，付雪婷，等.基于電壓注入的雙PWM變流器直流母線電容的在線檢測[J].大電機(jī)技術(shù)，2018（6）：79-83.

[2] 周志朋，謝冬梅.雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器故障診斷研究綜述[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，14（4）：349-353.

[3] 夏巖.微網(wǎng)大功率儲能變流器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：電子科技大學(xué)，2018.