□ 王麗敏

上海之恒新能源有限公司 上海 200241

1 研究背景

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模不斷發(fā)展壯大，風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)不斷細(xì)分，低風(fēng)速帶不斷開(kāi)發(fā)，風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電同價(jià)、平價(jià)上網(wǎng)，集中式與分布式風(fēng)力發(fā)電并存，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，由此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全生命周期的可靠性需要重點(diǎn)關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可利用率考核結(jié)果是業(yè)主的重要指導(dǎo)，高故障率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)帶來(lái)后期高昂的維護(hù)費(fèi)用和巨大的發(fā)電量損失，低可靠性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則將被市場(chǎng)所淘汰。作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心關(guān)鍵部件之一的變流器，不僅控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而且對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)的接入性能起決定性作用。變流器主要由功率模塊、電抗器、電路板等電力電子器件組成，產(chǎn)品可靠性要求高。筆者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的故障現(xiàn)狀進(jìn)行分析，采用故障樹方法提出改進(jìn)方案，以供技術(shù)人員參考。

2 故障現(xiàn)狀

不同的供應(yīng)商，其變流器產(chǎn)品的故障模式差異較大，因此考慮從裝機(jī)占比、故障占比等方面確定需要改進(jìn)的供應(yīng)商對(duì)象。截至2017年12月31日，2 MW變流器裝機(jī)情況如圖1所示。其中，供應(yīng)商1的占比約為45%，供應(yīng)商2的占比約為28%，供應(yīng)商3的占比約為27%。

對(duì)故障較多的供應(yīng)商1和供應(yīng)商3變流器產(chǎn)品故2017年12月25日至2018年6月4日，筆者公司供應(yīng)商1變流器故障數(shù)量總計(jì)為267次，故障數(shù)量較多的故障模式見(jiàn)表1。

對(duì)變流器部件故障情況進(jìn)行分析，風(fēng)扇損壞占比較高，包括側(cè)門風(fēng)扇、離心風(fēng)扇、循環(huán)風(fēng)扇。統(tǒng)計(jì)2018年3月至6月12個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)，總計(jì)116臺(tái)風(fēng)扇損壞。從分布情況看，風(fēng)電場(chǎng)3風(fēng)扇損壞數(shù)量較多。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)看，風(fēng)電場(chǎng)3同時(shí)有三種風(fēng)扇發(fā)生損壞，并且損壞占比較高。因此，選取風(fēng)電場(chǎng)3作為需要進(jìn)行改進(jìn)的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)象，改進(jìn)目標(biāo)為從2018年7月起的1 a內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)3內(nèi)2 MW變流器風(fēng)扇損壞月平均故障率下降50%。

表1 供應(yīng)商1變流器故障統(tǒng)計(jì)

3 拆解檢查

針對(duì)變流器風(fēng)扇損壞故障，將故障風(fēng)扇按通電是否轉(zhuǎn)動(dòng)、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)情況、繞組阻值進(jìn)行分類，選取代表性樣品進(jìn)行拆解，查找故障原因。

觀察從風(fēng)電場(chǎng)3現(xiàn)場(chǎng)返回的變流器故障風(fēng)扇R2E225，發(fā)現(xiàn)外觀著灰現(xiàn)象明顯，如圖2所示。

變流器故障風(fēng)扇通電不轉(zhuǎn)，葉輪可撥動(dòng)，L相與N相之間電壓為50 Ω，L相與Z相之間電壓為70 Ω，P相與L相及P相與N相之間電壓為40.7 MΩ，屬于斷路。變流器故障風(fēng)扇定子鐵心附著灰塵，軸承端蓋內(nèi)有黑色粉末和灰塵，軸承室內(nèi)基本無(wú)灰。定子側(cè)軸承保持架損壞，油脂全干。轉(zhuǎn)子側(cè)軸承保持架輕微變形，油脂有損耗，并結(jié)為黑色塊狀。線圈無(wú)明顯異常。

通過(guò)拆解發(fā)現(xiàn)，損壞主要來(lái)自于軸承部位。定子側(cè)軸承損壞相對(duì)嚴(yán)重，保持架變形斷裂，滾珠局部錯(cuò)位，軸承發(fā)生徑向竄動(dòng)。轉(zhuǎn)子側(cè)軸承保持架輕微變形，滾珠位置及軸承機(jī)械尺寸未發(fā)生變化，軸承損壞程度較輕。定子軸承內(nèi)油脂完全干涸。定子軸承端蓋外產(chǎn)生較多黑色粉末，轉(zhuǎn)子軸承靠近定子軸承側(cè)端蓋有黑色粉末。轉(zhuǎn)子軸承內(nèi)雖有部分油脂，但已成凝結(jié)狀，并已發(fā)黑。分析判斷油脂在高溫狀態(tài)下稀釋、揮發(fā)、固化、碳化產(chǎn)生黑色粉末，主要產(chǎn)生于定子軸承端蓋，并通過(guò)軸承室擴(kuò)散至轉(zhuǎn)子軸承端蓋。定子軸承油脂過(guò)度消耗與灰塵有關(guān)，觀察發(fā)現(xiàn)定子軸承相比轉(zhuǎn)子軸承更易進(jìn)灰。

風(fēng)扇處于熱風(fēng)端，軸承與繞組的基礎(chǔ)環(huán)境溫度較高，如濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，則流經(jīng)風(fēng)扇電機(jī)的風(fēng)量減小，繞組會(huì)出現(xiàn)較高的工作溫度。另一方面，隨著軸承油脂的消耗，摩擦增大，電機(jī)負(fù)載增大，也會(huì)使電機(jī)繞組溫度過(guò)高，出現(xiàn)長(zhǎng)期過(guò)熱現(xiàn)象。

4 故障樹分析

確定頂事件為風(fēng)機(jī)損壞。故障樹分析中，外邊界決定了分析的廣度，內(nèi)邊界決定了分析的深度。通過(guò)對(duì)風(fēng)扇損壞故障機(jī)理進(jìn)行深入分析，明確各影響因素間的關(guān)系，完成故障樹。

對(duì)于軸承不轉(zhuǎn)，主要有幾方面原因：軸承油脂在高溫環(huán)境揮發(fā)及粉塵影響引起摩擦因數(shù)增大，導(dǎo)致摩擦力增大；葉輪動(dòng)平衡破壞引起軸承受力變形,運(yùn)行異常，進(jìn)而造成壓力增大，導(dǎo)致摩擦力增大。對(duì)于葉輪卡滯，主要由異物進(jìn)入風(fēng)機(jī)或葉輪引起。在縱向展開(kāi)的基礎(chǔ)上梳理故障樹各事件之間的邏輯，構(gòu)建完成變流器風(fēng)扇損壞故障樹，如圖3所示。

通過(guò)簡(jiǎn)化故障樹、建立故障樹數(shù)學(xué)模型和求最小割集的方法，進(jìn)行故障樹的定性分析。通過(guò)計(jì)算頂事件概率、重要度分析和靈敏度分析，進(jìn)行故障樹的定量分析。在分析的基礎(chǔ)上識(shí)別設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)措施。

基于故障樹，分析風(fēng)扇損壞故障的最小割集。列出最小割集中的底事件，優(yōu)先挑選出單點(diǎn)事件及重復(fù)事件作為重要底事件，見(jiàn)表2。

表2 最小割集重要底事件

5 改進(jìn)方案

根據(jù)各底事件在最小割集中出現(xiàn)的頻次及事件階數(shù)等指標(biāo)，對(duì)重要底事件進(jìn)行評(píng)分，進(jìn)而制訂相應(yīng)的改進(jìn)方案，見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)方案

根據(jù)改進(jìn)方案形成變流器風(fēng)扇安裝指導(dǎo)書，明確先將風(fēng)機(jī)用M4×8不銹鋼組合螺栓安裝至軸流風(fēng)機(jī)外殼上，安裝完成后再將軸流風(fēng)機(jī)外殼安裝至側(cè)門板上。進(jìn)行變流器通信板合格性檢測(cè)，輸出文件為廠家提供的合格報(bào)告及本公司的驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)變流器與主控通信進(jìn)行測(cè)試，輸出文件為變流器與主控通信測(cè)試指導(dǎo)書。進(jìn)行電纜線供應(yīng)商合格性檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象包括通信線和電源線，輸出文件為廠家提供的合格報(bào)告及本公司的驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)手冊(cè)中增加一項(xiàng)檢查項(xiàng)目，定期檢查電纜線是否出現(xiàn)松動(dòng)，是否存在線頭露出等問(wèn)題，輸出文件為更新版維護(hù)手冊(cè)。提高主控的抗干擾能力，增加電磁環(huán)，改進(jìn)接地方式，輸出文件為改進(jìn)技術(shù)說(shuō)明。

6 改進(jìn)效果

以風(fēng)電場(chǎng)3內(nèi)2 MW變流器風(fēng)扇損壞月平均故障率下降50%，運(yùn)行周期為1 a進(jìn)行計(jì)算，改進(jìn)前平均每月更換20臺(tái)風(fēng)扇，預(yù)估改進(jìn)后每年可節(jié)約因更換風(fēng)扇而造成的損失12 000元。以單次維修時(shí)間3 h、維修工時(shí)100元/h、車輛損耗費(fèi)100元、油費(fèi)100元、服務(wù)人員差旅費(fèi)3 000元、物料郵寄費(fèi)100元計(jì)，改進(jìn)后每年可節(jié)約維修成本39 300元。以發(fā)電收益700元/h計(jì)，改進(jìn)后每年可增加發(fā)電收益252 000元。改進(jìn)后每年人工成本為36 000元，差旅成本為9 000元，則最終每年可增加收益258 300元。

7 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品的可靠性是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，提高產(chǎn)品的可靠性，可以體現(xiàn)以預(yù)防為主的質(zhì)量理念，降低產(chǎn)品總成本，縮短停機(jī)時(shí)間，并提高產(chǎn)品的可利用率。對(duì)于企業(yè)而言，提高產(chǎn)品的可靠性，可以增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，并且提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。利用故障樹方法來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)，對(duì)于企業(yè)而言具有指導(dǎo)意義，是一種值得推廣的改進(jìn)模式。筆者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器風(fēng)扇損壞故障進(jìn)行了故障樹分析，提出了改進(jìn)方案，并取得了良好的效果。