劉軍偉，崔明，盧江躍，李華陽(yáng)，鐘云龍

（上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，杭州 310028）

0 引言

近年來(lái)，隨著技術(shù)成本不斷優(yōu)化和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力逐年提升，風(fēng)力發(fā)電全球裝機(jī)范圍不斷擴(kuò)大、容量也實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。然而，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)環(huán)境隨之變得復(fù)雜、多樣和嚴(yán)酷，這給發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。研究表明，除傳統(tǒng)意義上的振動(dòng)、溫升、機(jī)械應(yīng)力等老化因子外，伴隨新型半導(dǎo)體變流技術(shù)應(yīng)用而產(chǎn)生的復(fù)雜電應(yīng)力，以及環(huán)境因素如冷熱沖擊、潮濕、鹽霧等也在風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)失效模式中發(fā)揮著越來(lái)越不容忽視的作用［1－2］。

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

1 絕緣故障損失模型

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣故障極有可能引發(fā)較大的經(jīng)濟(jì)損失。以陸上某型號(hào)直驅(qū)發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)為例，建立了因絕緣故障下塔產(chǎn)生的費(fèi)用損失模型，如圖1所示。從模型可以看出，包括材料、人工、運(yùn)輸、吊裝設(shè)備租賃費(fèi)等直接費(fèi)用，和維修期間發(fā)電量減少導(dǎo)致的間接損失在內(nèi)，發(fā)電機(jī)更換一次平均經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)高達(dá)121萬(wàn)元。

經(jīng)分析，絕緣故障引起風(fēng)機(jī)維修產(chǎn)生巨額費(fèi)用的原因主要有3點(diǎn)：（1）多數(shù)發(fā)電機(jī)絕緣故障無(wú)法通過(guò)檢測(cè)手段提前預(yù)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(fù)或者僅能短暫恢復(fù)，繼續(xù)發(fā)展有導(dǎo)致發(fā)電機(jī)燒毀的極大可能，典型案例如圖2所示； （3）風(fēng)機(jī)安裝位置不易到達(dá)，絕緣故障可維性差，發(fā)電機(jī)維修更換費(fèi)用高、難度大。

圖1 某型號(hào)直驅(qū)電機(jī)絕緣故障更換平均損失模型

圖2 絕緣故障導(dǎo)致電機(jī)損壞的典型案例

2 絕緣失效原因分析

統(tǒng)計(jì)研究表明，發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程存在的高頻脈沖電應(yīng)力，以及溫度交變、潮濕、鹽霧等環(huán)境應(yīng)力是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣老化、擊穿問(wèn)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(jī)定子、以及雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與變流器直接相連，繞組匝間絕緣、對(duì)地絕緣都承受了較為苛刻的電應(yīng)力。劉學(xué)忠等［3］以額定電壓為690 V的1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對(duì)定子側(cè)出現(xiàn)的脈沖尖峰電壓進(jìn)行了波形測(cè)量。測(cè)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(fù)頻率約為2 kHz，脈沖尖峰電壓峰值達(dá)到1.5 kV，遠(yuǎn)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(yīng)力主要有兩點(diǎn)不同：一是脈沖電壓在線圈上分布不均，尤其目前很多機(jī)組采用變流器置于塔底的設(shè)計(jì)，極大增加了機(jī)側(cè)電纜長(zhǎng)度，繞組首末匝線圈因此可能承受最高80%的過(guò)電壓幅值，遠(yuǎn)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(yīng)（圖3），提高聚合物材料的老化分解速度，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣過(guò)早失效擊穿［5］。

2.2 潮濕的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬戶外運(yùn)行電機(jī)，因運(yùn)行氣候條件惡劣，防護(hù)等級(jí)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(jī)設(shè)計(jì)、絕緣工藝處理不當(dāng)，或絕緣過(guò)早老化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生間隙、微孔或分層。此時(shí)，因擴(kuò)散或“呼吸”作用，潮濕空氣滲入繞組，將會(huì)威脅電機(jī)安全運(yùn)行。

陳洪武等［6］以大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為下述幾個(gè)問(wèn)題容易導(dǎo)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(yùn)困難導(dǎo)致VPI滴漆時(shí)間延長(zhǎng)。以上3個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致直驅(qū)發(fā)電機(jī)定子絕緣處理工作量大、一致性難以保證，對(duì)產(chǎn)品的批量制造質(zhì)量控制和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(guò)程

圖4 典型直驅(qū)發(fā)電機(jī)定子并頭及絕緣處理位置

圖5 絕緣結(jié)構(gòu)熱機(jī)械耐久性評(píng)定過(guò)程

2.3 溫度交變的影響

由于風(fēng)資源的不穩(wěn)定性，風(fēng)機(jī)頻繁啟停和晝夜溫差產(chǎn)生的溫度交變、沖擊將會(huì)帶來(lái)周期性的熱機(jī)械應(yīng)力作用，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的整體性。特別在機(jī)組大型化趨勢(shì)下，電機(jī)軸向長(zhǎng)度加長(zhǎng)，金屬及絕緣材料熱膨脹系數(shù)不匹配帶來(lái)的影響會(huì)導(dǎo)致上述問(wèn)題進(jìn)一步加劇。標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034－18－34［7］描述了熱機(jī)械應(yīng)力引發(fā)絕緣老化失效的機(jī)理，認(rèn)為熱機(jī)械應(yīng)力周期作用促使繞組絕緣樹(shù)脂粘結(jié)力降低，絕緣層間分層、周向裂紋，繞組變形引起機(jī)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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)溫度交變循環(huán)試驗(yàn)（通常要求開(kāi)展500周期以上，過(guò)程如圖5所示），用以驗(yàn)證絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)熱機(jī)械應(yīng)力老化的抵抗能力。

雷林璋等［8］設(shè)計(jì)了類似的溫度沖擊試驗(yàn)過(guò)程，但大大增加了應(yīng)力水平，即通過(guò)周期性的高溫加熱／浸水試驗(yàn)，考核、評(píng)價(jià)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣對(duì)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(fēng)能資源豐富，因此離岸型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電行業(yè)的一個(gè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［1］顯示，中國(guó)渤海、黃海、東海和南海4個(gè)海域綜合月均相對(duì)濕度為65.9%RH～88.2%RH，而中國(guó)東海沿海的鹽霧日均沉降率達(dá)到8.2 ～33.1 mg／（m2·d）。受濕度和鹽霧的影響，絕緣材料長(zhǎng)時(shí)間暴露在海洋大氣中性能會(huì)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

陳健等［9］通過(guò)鹽霧試驗(yàn)對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣結(jié)構(gòu)的耐鹽霧性能進(jìn)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(shì)。主要是因?yàn)辂}霧曝露改變了聚合物材料表面的物理形態(tài)和化學(xué)成分，導(dǎo)致疏水基團(tuán)減少，降低了材料表面憎水性，加速形成導(dǎo)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?jī)?nèi)容，認(rèn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣可靠性和運(yùn)行壽命。

3.1 材料優(yōu)化

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用變頻器供電的角度考慮，設(shè)計(jì)時(shí)需要強(qiáng)化匝間絕緣材料的耐電暈性能。采用成型繞組的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)。得益于材料廉價(jià)、起暈電壓高和耐電暈壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，云母繞包設(shè)計(jì)應(yīng)用相對(duì)更為廣泛，適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)這種對(duì)匝間絕緣減薄要求不高的領(lǐng)域。此外，發(fā)電機(jī)絕緣性能在很大程度上也取決于所選VPI樹(shù)脂體系。從目前風(fēng)電制造行業(yè)使用最多的3種主流VPI樹(shù)脂體系：聚酯亞胺、環(huán)氧樹(shù)脂以及環(huán)氧改性不飽和聚酯的性能對(duì)比看，后者克服了環(huán)氧樹(shù)脂耐熱低的缺點(diǎn)，粘接強(qiáng)度和機(jī)械性能又比聚酯亞胺具有優(yōu)勢(shì)，有助于絕緣結(jié)構(gòu)抵抗因溫度交變產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力老化作用，在風(fēng)電行業(yè)具有更大應(yīng)用潛力。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)離岸型風(fēng)機(jī)，鹽霧腐蝕絕緣結(jié)構(gòu)主要通過(guò)兩個(gè)途徑，一種是從絕緣結(jié)構(gòu)通道（如氣隙等）進(jìn)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(hù)，從外到內(nèi)對(duì)絕緣和沖片進(jìn)行腐蝕。對(duì)前者來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)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(duì)于后者來(lái)說(shuō)，在發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

3.3 工藝優(yōu)化

陳洪武等［6］通過(guò)對(duì)永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)措施，包括：（1）加強(qiáng)線圈引線頭絕緣；（2）改進(jìn)焊接處絕緣包扎方式；（3）接頭焊接臺(tái)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(shí)間；（6）線圈端部及端環(huán)補(bǔ)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(guò)對(duì)真空／壓力參數(shù)、滴漆時(shí)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(cuò)的效果。

3.4 加強(qiáng)質(zhì)量管控

風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品制造過(guò)程尤其是VPI浸漆過(guò)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(guò)制定有效的驗(yàn)收方法和標(biāo)準(zhǔn)，如淋水／浸水試驗(yàn)等，可以及時(shí)暴露發(fā)電機(jī)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)和控制產(chǎn)品質(zhì)量分散性的有效手段。具體措施是：試驗(yàn)用水加入非離子型潤(rùn)濕劑，然后定子按規(guī)定時(shí)間和次數(shù)間斷淋水，或連續(xù)2 h浸水，使用兆歐表測(cè)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(yǔ)

由于裝機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣及風(fēng)資源的不穩(wěn)定性，戶外運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣故障有其產(chǎn)品特殊性。本文通過(guò)調(diào)研，總結(jié)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(duì)發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響和故障發(fā)展機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)絕緣薄弱環(huán)節(jié)，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和質(zhì)量管控等方面提出了一些優(yōu)化改進(jìn)建議。通過(guò)上述措施，可以一定程度提高質(zhì)量缺陷的可探測(cè)性，降低絕緣缺陷產(chǎn)生的概率，確保了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，并從絕緣角度進(jìn)一步拓寬了風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力。