文／王春光

風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場測試技術(shù)淺析

文／王春光

隨著我國對環(huán)保與可再生能源的愈加重視，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的制造與運行在最近十余年的發(fā)展中逐漸壯大，針對于風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計、工藝、制造與檢測水平也穩(wěn)步提升。風(fēng)電機(jī)組一般安裝在距地面幾十米的高處，在現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)和檢修不便，在這種情況下制造方和風(fēng)電場方就需要通過檢測手段來保證風(fēng)電機(jī)組的安裝與運行性能。本文對風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)場現(xiàn)場進(jìn)行的檢測項目所應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行淺析，從技術(shù)應(yīng)用的角度來看待雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)的檢測差異。

發(fā)電機(jī)現(xiàn)場檢測技術(shù)綜述

現(xiàn)場檢測可以分電氣測試與機(jī)械檢測兩大類，電氣測試要確認(rèn)電氣部件和電氣連接線路的工作狀態(tài)，機(jī)械檢測要確認(rèn)發(fā)電機(jī)運行過程中的部件受力變化情況。下面對現(xiàn)場測試中應(yīng)用到的技術(shù)方法進(jìn)行介紹。

一、電壓電流測試法

電壓電流法可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)的電阻性能檢測，包括繞組（測溫元件、加熱器、接地碳刷等）的直流電阻和絕緣電阻；安全防護(hù)的開關(guān)通斷功能（如碳刷限位開關(guān)通斷、避雷器接地電阻）檢測；絕緣交流耐電壓試驗等。此方法是指在導(dǎo)體（或絕緣體）兩端施加一定的直流或交流電壓，測量通過導(dǎo)體的電流值，通過判斷其電流值或電阻計算結(jié)果，來確定部件的質(zhì)量或工作狀態(tài)（電路通暢或電氣隔離）。檢測設(shè)備也是按這個原理來工作的，由穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的電勢能施加在導(dǎo)體兩端，使用電流傳感器測定導(dǎo)體中的電流值，通過控制單元進(jìn)行采樣校準(zhǔn)，收集電壓電流數(shù)據(jù)，計算單元按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行計算或結(jié)果判斷，由顯示或輸出單元將結(jié)果顯示出來。

二、沖擊電壓衰減效應(yīng)

繞組或線圈匝間耐電壓試驗利用的是模擬自然雷電的沖擊電壓在繞組或線圈中的衰減波形來判斷其質(zhì)量狀況的，測試設(shè)備的升壓整流濾波單元控制合適的直流沖擊電壓輸出，使用閘流開關(guān)將沖擊電壓突然施加在繞組或線圈的兩端，沖擊波在繞組或線圈中的放電波形會在示波器出顯示出來，因放電衰減波形與繞組或線圈的匝數(shù)和磁路相關(guān)，與正常的繞組或線圈進(jìn)行對比，來判斷繞組或線圈內(nèi)部是否有短路或斷路。

三、霍爾效應(yīng)

永磁體的磁特性檢測利用的是霍爾效應(yīng)原理，即當(dāng)導(dǎo)體中的電流與外磁場在空間相交時，導(dǎo)體的兩端會出現(xiàn)電勢差，因此，測量導(dǎo)體兩端的電壓即可利用原理公式計算出外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，檢測設(shè)備一般由穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的電流流過傳感器的導(dǎo)體，將傳感器垂直放置在永磁體的表面，通過控制單元采樣，將采樣數(shù)據(jù)通過計算單元進(jìn)行計算，最后得出磁感應(yīng)強(qiáng)度（或磁通密度）數(shù)值。

四、杠桿原理

緊固件的裝配檢測使用了力矩扳手，應(yīng)用的就是杠桿原理，在杠桿的一端使用較小的力可以在另一端產(chǎn)生更大的力，當(dāng)力矩扳手施加在緊固件上的力達(dá)到要求時，機(jī)械式力矩扳手的機(jī)械鎖會滑脫，避免力矩過大對緊固件的損傷，此種扳手多用于螺栓緊固件的裝置；數(shù)顯和指針式的力矩扳手則是利用杠桿彎矩與扭矩等效的原理，通過扳手內(nèi)置的應(yīng)力變形傳感器將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電或機(jī)械信號，在數(shù)字顯示屏或指針表盤中顯示出來，此種扳手多用于力矩值的檢測與驗證。

五、光電傳感技術(shù)

發(fā)電機(jī)與齒輪箱或主軸的聯(lián)軸對中裝配及檢測，可以使用千分表或激光對中儀，利用兩軸中心線的相互位置在旋轉(zhuǎn)時的變化量來調(diào)整部件位置并進(jìn)行判定，激光對中儀利用的就是光電轉(zhuǎn)換傳感技術(shù)，由激光發(fā)射器輸出特定波長的激光，光敏部件接收到激光的位置變化量，計算出軸中心線需要調(diào)整的量。

六、機(jī)電轉(zhuǎn)換傳感技術(shù)

發(fā)電機(jī)的振動測試一般由振動加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集主機(jī)兩部分組成，加速度傳感器利用的就是機(jī)電轉(zhuǎn)換傳感技術(shù)，即當(dāng)機(jī)械振動產(chǎn)生的力作用在壓電晶體上，利用晶體的壓電效應(yīng)（當(dāng)晶體在一定方向的外力作用下或承受變形時，晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，即受力生電效應(yīng)）將機(jī)械振動信號轉(zhuǎn)換為可識別的電壓量，在顯示單元中顯示出來，由控制單元或工作人員進(jìn)行判定。

七、非線性電阻保護(hù)

發(fā)電機(jī)的避雷器是保護(hù)電機(jī)繞組等部件在受到雷擊或誤操作過電壓時不受到電氣損壞的安全防護(hù)裝置，其最重要的組件就是接地電阻，如具有優(yōu)秀非線性電阻特性的氧化鋅電阻，在正常工作電壓下，氧化鋅電阻有極高的阻值，僅可通過微安級的電流，而當(dāng)電壓超過設(shè)計限值時，氧化鋅電阻阻值會迅速降低，允許通過的電流迅速增大，將過電壓直接釋放接地，避免過電壓直接沖擊繞組等部件。利用氧化鋅電阻，可以制成無間隙結(jié)構(gòu)的避雷器，具有質(zhì)量輕、耐污染、閥片性能穩(wěn)定等特點被大量應(yīng)用。

八、傳聲器和計權(quán)網(wǎng)絡(luò)

發(fā)電機(jī)在運行過程中會發(fā)出不同的聲音，有經(jīng)驗的作業(yè)人員會依據(jù)聲音的不同對發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行判斷，聲級計的使用就是將人耳聽到的聲音轉(zhuǎn)換為電信號，供作業(yè)人員進(jìn)行參考判斷。聲級計使用的傳聲器一般為電容式，當(dāng)電容的一極響應(yīng)聲波而運動，會改變電容器的電容值，電容的變化在電路中會變成可測量的電信號，通過放大電路傳輸?shù)接嫏?quán)網(wǎng)絡(luò)，計權(quán)網(wǎng)絡(luò)可以模擬人耳對聲波反應(yīng)速度的時間特性、對高低頻有不同靈敏度的頻率特性、對不同響度時改變頻率特性的強(qiáng)度特性對信號進(jìn)行頻率計權(quán)，計權(quán)信號會再次放大送到有效值檢波裝置中進(jìn)行比對，在顯示屏中顯示出聲級，因為聲音信號經(jīng)過了計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的修正，所以最終的測定值不是客觀物理量的線性聲壓級，而是帶有人耳主觀性的計權(quán)聲壓級，由于計權(quán)網(wǎng)絡(luò)不同，可分為A級、B級、C級計權(quán)聲級，因A計權(quán)聲級的特性曲線最接近人耳的聽感特性，現(xiàn)用的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的噪聲限值即為A計權(quán)數(shù)值。

以上現(xiàn)場檢測應(yīng)用到的技術(shù)，除依靠經(jīng)驗進(jìn)行外觀的目視檢測外，從簡單的電壓電流檢測法到較流行的傳感技術(shù)，體現(xiàn)了國內(nèi)發(fā)電機(jī)檢測技術(shù)方法的進(jìn)步。

雙饋異步與永磁同步發(fā)電機(jī)之間的對比

雙饋發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)是現(xiàn)階段我國風(fēng)場內(nèi)最常見及安裝量最多的兩種機(jī)型，各自有不同的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)缺點，表1中列出了雙饋發(fā)電機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)之間的主要區(qū)別，需要相關(guān)人員在進(jìn)行現(xiàn)場檢測前加以了解。

由于兩種發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)和功能上的不同，在進(jìn)行現(xiàn)場檢測時也會有些差異。表2列舉了兩種發(fā)電機(jī)檢測項目上的對照。

表2匯總了雙饋和永磁兩種發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場檢測項目，除對永磁體的檢測項目外，表中所列的項目大部分均相同，只有部分項目由于結(jié)構(gòu)差異而不同，現(xiàn)場檢測作業(yè)所應(yīng)用到的技術(shù)也大都相同，且在相近的測量范圍內(nèi)，使用的檢測設(shè)備也可以通用，應(yīng)用到的技術(shù)也基本無差別。而且，現(xiàn)場檢測應(yīng)用到許多相應(yīng)的國標(biāo)包括：GB/T 23479.2－2009《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雙饋異步發(fā)電機(jī) 第2部分：試驗方法》、GB/T 25389.2－2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 低速永磁同步發(fā)電機(jī) 第2部分：試驗方法》、GB/T 1029－2005《三相同步電機(jī)試驗方法》、GB/T 1032－2005《三相異步電動機(jī)試驗方法》等，以及整機(jī)商或發(fā)電機(jī)制造商提供的使用說明書或現(xiàn)場維護(hù)文件中，對于現(xiàn)場檢測應(yīng)用的技術(shù)也有簡略的說明，根本上講也是沒有區(qū)別的。最后應(yīng)該提到，現(xiàn)場檢測作業(yè)人員也應(yīng)具備一定的專業(yè)素養(yǎng)，對以上檢測項目及應(yīng)用技術(shù)加以了解。

表1 雙饋異步發(fā)電機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)對比表

表2 雙饋異步及永磁同步發(fā)電機(jī)現(xiàn)場檢測項目對照

結(jié)論

現(xiàn)階段，我國大部分風(fēng)電場雖然已經(jīng)或即將安裝SCADA等在線監(jiān)測與管理系統(tǒng)，但并不能取代所有的現(xiàn)場檢測項目，仍需運維人員爬到塔筒上在發(fā)電機(jī)的近距離實施作業(yè)。從前面的分析來看，兩種發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場檢測基本沒有區(qū)別，在同一風(fēng)場安裝兩種風(fēng)機(jī)不會對運維效率有影響。

（作者單位：北京鑒衡認(rèn)證中心）