風(fēng)電場電氣運(yùn)行常見故障及處理方法

上海能源科技發(fā)展有限公司 孫建鵬

在雙碳能源體系的建設(shè)規(guī)劃中，風(fēng)電光伏作為綠色清潔能源，其能源開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展受到廣泛關(guān)注，以風(fēng)力、太陽能等為代表的新能源也成為了支持電力生產(chǎn)的重要能源基礎(chǔ)。

風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)與利用，在促進(jìn)了電力生產(chǎn)、輸送、控制相關(guān)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也對機(jī)組容量、設(shè)備運(yùn)行周期、檢修維護(hù)投入等提出了更高的要求。為保證大容量、高速性電氣系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)維，風(fēng)電機(jī)組管理與監(jiān)測相關(guān)單位應(yīng)深入、全面分析電氣系統(tǒng)全過程運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)排查故障異常問題，通過合理制定預(yù)防管控對策、完善日常檢修管理制度、選擇科學(xué)的故障處理方案等舉措，最大限度的降低故障異常對機(jī)電運(yùn)行質(zhì)效的影響，為風(fēng)電場可持續(xù)、高效化發(fā)展保駕護(hù)航。

當(dāng)前階段，低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的全面實(shí)行，使得百萬千瓦級風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)數(shù)量逐年上漲，陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電能源網(wǎng)絡(luò)亦不斷完善，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入市場化、規(guī)?；l(fā)展階段，推動風(fēng)能高效、穩(wěn)定利用，成為有效貫徹雙碳戰(zhàn)略的重要舉措[1]。

大規(guī)模、智能化風(fēng)電能源體系的網(wǎng)格化建設(shè)，對風(fēng)電場電氣運(yùn)維系統(tǒng)安全管理的要求也更嚴(yán)格。針對電氣主控程序、齒輪箱、變槳、發(fā)電機(jī)、葉片等控制系統(tǒng)與部件的常見故障問題，制定科學(xué)性、靈活性的應(yīng)急處理對策，可有效控制故障的影響，并根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測、日常檢測的反饋，對常規(guī)檢修與維護(hù)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為風(fēng)險(xiǎn)機(jī)組的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的保障。

1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維常見故障及具體診斷模式

在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)維管理環(huán)節(jié)，風(fēng)電場主要通過日常巡檢、定期維護(hù)、在線監(jiān)測等方式對故障異常問題進(jìn)行排查。風(fēng)電機(jī)組主要由主控系統(tǒng)、齒輪箱、變槳、發(fā)電設(shè)備、葉片等部件構(gòu)成，在檢修過程中應(yīng)圍繞異常信息反饋、故障報(bào)警情況不同對設(shè)備性能進(jìn)行對比分析，采用針對性的檢修方法控制故障影響，提高機(jī)組安全維護(hù)效率[2]。

1.1 主控系統(tǒng)異常問題表現(xiàn)與故障診斷

主控系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的核心控制程序，借助大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對風(fēng)機(jī)不同設(shè)備的運(yùn)行邏輯進(jìn)行判斷，下達(dá)控制指令，實(shí)現(xiàn)自動化、智能化控制目標(biāo)。當(dāng)前風(fēng)機(jī)控制搭設(shè)的自動化系統(tǒng)以PLC 程序?yàn)橹?，系統(tǒng)運(yùn)維過程中常見的故障問題分為系統(tǒng)自身運(yùn)維控制故障與外部故障。其中PLC 控制模塊的故障異常表現(xiàn)為模擬量、數(shù)字量信號輸出/輸入無顯示或顯示不正常、指示燈無反應(yīng)等。針對該種故障情況，需要重新啟動程序?qū)Ξ惓Ｎ恢眠M(jìn)行排查。

系統(tǒng)外部故障的檢測需根據(jù)SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警信息反饋情況，結(jié)合代碼秒速找準(zhǔn)設(shè)備故障的具體位置。在日常檢修、維護(hù)工作中應(yīng)注重主控系統(tǒng)的故障預(yù)警提示，制定應(yīng)急管理對策，接收警報(bào)后應(yīng)第一時(shí)間啟動故障應(yīng)急處理方案，降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)影響[3]。

1.2 齒輪箱故障表現(xiàn)與診斷技術(shù)

齒輪箱的安裝位置在風(fēng)機(jī)的機(jī)艙內(nèi)部，是雙饋機(jī)組傳動鏈系統(tǒng)的重要部件，連接了發(fā)電設(shè)備與主軸，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密的特征，不同位置的受力情況差異較大，在同一運(yùn)行條件下齒輪箱各構(gòu)件的載荷不同，容易出現(xiàn)部件失效問題。齒輪箱的故障問題主要分為軸承故障、齒輪故障兩種，前者主要表現(xiàn)為部件磨損、裂縫、外層剝落等；后者表現(xiàn)為齒輪斷裂、齒面疲勞、表面粘著等。

在對齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)檢測時(shí)，振動檢測由于適用范圍廣、對風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響小、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)勢，是最為常見、有效的檢測技術(shù)，可有效檢測出齒輪與軸承等部件的運(yùn)行性能。在檢測齒輪箱中心孔、管道線路、冷卻設(shè)備時(shí)，主要測試其密封性是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)排查部件破損、變形、漏油等故障問題。同時(shí)，還需定期用內(nèi)窺鏡對噴油管、排氣管、彈性支承等構(gòu)件進(jìn)行觀察，做好精密機(jī)械的常規(guī)保養(yǎng)、維修工作。

1.3 變槳系統(tǒng)與接線電纜故障常見類型與診斷技術(shù)

變槳系統(tǒng)屬于風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)動力執(zhí)行裝置，通過轉(zhuǎn)速控制利用風(fēng)能生產(chǎn)電力，同時(shí)也是保證電氣系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)承受超出標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的風(fēng)力作用時(shí)，變槳裝置可在主系統(tǒng)的控制下進(jìn)行收槳操作，保護(hù)風(fēng)機(jī)設(shè)備。變槳裝置具有器件構(gòu)成數(shù)量多、運(yùn)行結(jié)構(gòu)精密、力矩與部件間連接緊固性要求高等特點(diǎn)，故障發(fā)生的頻次也相對較高。

變槳系統(tǒng)出現(xiàn)故障的主要原因包括電氣問題、機(jī)械問題。在檢修維護(hù)方案中，電氣故障檢修模式分為手動測試、急停測試、電池狀態(tài)檢查、充電回路檢修等。機(jī)械故障檢修包括軸承密閉性檢修、潤滑性檢測、變槳電機(jī)、變槳軸承密封性、潤滑油系統(tǒng)檢查等。

接線類故障也是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)常見的故障問題，風(fēng)電機(jī)組接線故障檢測按照技術(shù)應(yīng)用的不同可分為接地?cái)嗑€與非接地短路。在接地?cái)嗑€類系統(tǒng)故障問題發(fā)生時(shí)，需對接地線路的絕緣情況進(jìn)行檢測，檢驗(yàn)出絕緣電阻參數(shù)后，關(guān)閉斷路設(shè)備、隔離檢測位置電纜進(jìn)行驗(yàn)電，全部檢測項(xiàng)目結(jié)束后進(jìn)行放電。非接地短路的系統(tǒng)故障的排查需采用分段檢驗(yàn)的方式，故障多發(fā)于電纜接頭位置，在檢測接線箱、開關(guān)柜等電纜接頭情況時(shí)，需要在接地處標(biāo)記，便于后期統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果[4]。

1.4 發(fā)電設(shè)備故障問題與診斷方法

風(fēng)機(jī)發(fā)電的原理是由風(fēng)能作用于葉片上，葉片轉(zhuǎn)動帶動主軸部件旋轉(zhuǎn)推動傳動設(shè)備運(yùn)行，將風(fēng)力動能轉(zhuǎn)換為電能。在這一過程中，為提升風(fēng)能整體利用效率，風(fēng)電設(shè)備需在寬闊的要室外裝設(shè)運(yùn)行，易受氣溫變化、大風(fēng)天氣、沙塵災(zāi)害等環(huán)境條件的影響，導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備出現(xiàn)軸承運(yùn)行過熱、線圈短路與斷路、機(jī)械部件過度磨損、管線絕緣外皮破損等問題。

據(jù)風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備故障數(shù)據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電設(shè)備發(fā)生故障的頻次占據(jù)總故障數(shù)量的5.5%；發(fā)電設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)長占據(jù)總停機(jī)時(shí)長8.9%；發(fā)電機(jī)軸承故障率在發(fā)電設(shè)備整體故障總數(shù)中占40%、定子故障達(dá)到38%。按照發(fā)電機(jī)的故障特征，通常所使用的診斷方式為分析轉(zhuǎn)子/定子電流信號、電壓情況和輸出功率反饋數(shù)據(jù)判斷故障點(diǎn)，合理選擇部件更換、維修方案。

1.5 葉片常見故障和診斷方法

葉片是風(fēng)電機(jī)組用于捕捉風(fēng)能的構(gòu)件，設(shè)備運(yùn)維性能直接影響到電力生產(chǎn)的質(zhì)量。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，風(fēng)機(jī)的葉片暴露在室外環(huán)境中，空氣中的水分子、化學(xué)物質(zhì)、粉塵顆粒等容易對葉片造成腐蝕侵害影響。此外，外界雷擊、降雨、降雪等氣候也會對葉片質(zhì)量產(chǎn)生影響，長期處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，葉片連接位置也易出現(xiàn)松動、變形、開裂等問題。長此以往，惡劣的環(huán)境不僅會影響葉片對風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，嚴(yán)重情況下甚至?xí)霈F(xiàn)轉(zhuǎn)子故障問題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁出現(xiàn)顫動情況。很多風(fēng)機(jī)的較大故障并非偶然也不是一下造成的，而是當(dāng)風(fēng)機(jī)偏離原來的設(shè)計(jì)指標(biāo)或發(fā)生小故障后沒有引起足夠重視，使得故障影響逐步積累，沒有及時(shí)預(yù)防與控制，最終導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生。

現(xiàn)階段葉片部件的檢測主要包括紅外線無損檢測、應(yīng)力檢測等。紅外線檢測是利用不同檢測目標(biāo)溫度分布紅外成像圖像的分析，對葉片表面是否存在裂紋、變形、剝落等情況進(jìn)行分析，通過圖像數(shù)據(jù)的對比，找準(zhǔn)故障可能出現(xiàn)的位置，為后續(xù)維修工作提供支持。應(yīng)力測試是指將葉片材料在不同應(yīng)力環(huán)境下的變化參數(shù)記錄起來，分析故障表現(xiàn)。此外還可在葉片上裝設(shè)除冰設(shè)備，提高地位環(huán)境中葉片運(yùn)行的適應(yīng)性，控制低溫影響。

2 提升風(fēng)機(jī)故障處理質(zhì)效的實(shí)踐策略

2.1 深入分析風(fēng)機(jī)不同部件故障原因，做好故障風(fēng)險(xiǎn)防控工作

在雙碳目標(biāo)下，為了進(jìn)一步提升風(fēng)能清潔能源的利用質(zhì)效、降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)該故障發(fā)生的頻次，風(fēng)電系統(tǒng)管理單位應(yīng)提高風(fēng)險(xiǎn)防范意識，加強(qiáng)防護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)。

風(fēng)電場需根據(jù)實(shí)際建設(shè)情況，綜合考慮影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各項(xiàng)因素，全面、深入掌握風(fēng)機(jī)故障的常見誘因，分析風(fēng)機(jī)機(jī)械故障、控制系統(tǒng)故障的具體表現(xiàn)，做好系統(tǒng)防護(hù)工作。如，為預(yù)防設(shè)備、線路遭受雷擊，可預(yù)先安裝防雷系統(tǒng)降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)；科學(xué)規(guī)劃電路的鋪設(shè)路線。在鋪設(shè)施工前，通過實(shí)地勘察、數(shù)據(jù)建模、查詢歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析線路情況等設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，合理制定鋪設(shè)方案，避免出現(xiàn)不必要的錯誤，技術(shù)人員要對線路進(jìn)行全面的檢查和質(zhì)量控制，保證工程的質(zhì)量滿足要求。

從長效發(fā)展、穩(wěn)定運(yùn)維管理的層面出發(fā)，合理制定應(yīng)急管理方案。組建專業(yè)的檢修、養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍，積極培育、引進(jìn)高素質(zhì)、實(shí)踐型技術(shù)人才，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行機(jī)組異常排查、故障檢修的工作質(zhì)效。

與此同時(shí)，搭建起高效、實(shí)時(shí)的電氣系統(tǒng)運(yùn)行在線監(jiān)管平臺，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能識別、云計(jì)算等現(xiàn)代技術(shù)評估系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且及時(shí)、準(zhǔn)確的對可能發(fā)生的故障問題進(jìn)行預(yù)測分析，及時(shí)進(jìn)行替換、修復(fù)，從源頭把控風(fēng)機(jī)運(yùn)維可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 科學(xué)規(guī)劃，采用針對性的故障排查與處理對策

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)維管理單位收到異常預(yù)警或故障報(bào)修相關(guān)報(bào)告時(shí)，應(yīng)在第一時(shí)間對異常問題進(jìn)行檢測，根據(jù)異常表現(xiàn)確定故障原因后，采用針對性的維修處理手段，避免故障影響擴(kuò)散。以風(fēng)電機(jī)組異常聲響情況的檢修與處理為例，首先需技術(shù)人員判斷異響發(fā)生的位置，找準(zhǔn)故障發(fā)生的具體位置，觀察是否連接部分出現(xiàn)螺絲松脫、進(jìn)入異物等情況，如是由螺絲松動產(chǎn)生異響，需及時(shí)用工具進(jìn)行加固。如螺絲未出現(xiàn)松動、脫落情況，則需對風(fēng)機(jī)構(gòu)件連接處是否存在進(jìn)入異物的情況，如存在摩擦力增加的現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理。

如故障類型不屬于以上幾種，需進(jìn)一步進(jìn)行深入檢測，將電機(jī)外殼打開對電機(jī)軸承位置進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件出現(xiàn)破損或位移、變形等情況時(shí)，需及時(shí)對構(gòu)件進(jìn)行維修、更換處理。

2.3 完善制度，明確風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管理與維護(hù)的職責(zé)

隨著我國現(xiàn)代能源建設(shè)體系的不斷完善，大規(guī)模、高容量風(fēng)電場的建設(shè)數(shù)量大幅度增加，風(fēng)電電氣運(yùn)行系統(tǒng)的安全管理要求逐步提升。為最大限度控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)運(yùn)行管理單位不僅需要貫徹風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控的原則，制定針對性的應(yīng)急管理對策，做好故障原因、表現(xiàn)的分析、梳理工作，同時(shí)還需完善相關(guān)檢修、養(yǎng)護(hù)、故障處理規(guī)范制度。

具體來說：一方面應(yīng)明確劃分系統(tǒng)操控、檢修管理、常規(guī)維護(hù)等不同崗位的具體管理職責(zé)，按照設(shè)備安全使用周期定期對部件進(jìn)行更換，保證電氣系統(tǒng)能長期處于穩(wěn)定運(yùn)維的狀態(tài)；另一方面檢修與維護(hù)相關(guān)管理單位應(yīng)及時(shí)、動態(tài)地了解風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的前沿技術(shù)，加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)成果的引進(jìn)與推廣，在不斷優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組檢修設(shè)備、技術(shù)配置的基礎(chǔ)上，完善電氣控制系統(tǒng)在線監(jiān)測、智能識別、風(fēng)險(xiǎn)分析等功能，全面提升風(fēng)電機(jī)組的控制與管理質(zhì)效。

應(yīng)定期檢查和消除控制系統(tǒng)電源、信號、網(wǎng)絡(luò)回路的端子排積灰、配線和電纜接插件松動和過熱現(xiàn)象，嚴(yán)格按照系統(tǒng)運(yùn)行要求對異常報(bào)警等級進(jìn)行劃分，依照故障影響的輕重程度啟動對應(yīng)等級的處理對策。

3 結(jié)語

風(fēng)力作為清潔型、環(huán)保型的綠色能源，在“3060碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略全面實(shí)行背景下，在新能源電力生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷拓寬，成為現(xiàn)代能源可持續(xù)開發(fā)產(chǎn)業(yè)的重要建設(shè)項(xiàng)目。風(fēng)電場運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，由于自然風(fēng)力存在不穩(wěn)定的特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組承受的荷載壓力情況也有所差異，設(shè)備運(yùn)行管理的難度相對較大。為保證風(fēng)力發(fā)電的效率性、可靠性，風(fēng)電場需在加強(qiáng)故障風(fēng)險(xiǎn)排查與防范管理的同時(shí)，制定針對性、靈活性的系統(tǒng)檢修與維護(hù)對策，注重常規(guī)性狀態(tài)監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)工作，嚴(yán)格把控安全風(fēng)險(xiǎn)，為風(fēng)電場電力高效、安全生產(chǎn)提供保障。