彭 凡，謝衛(wèi)才，2，湯超正，劉萬(wàn)太，趙培斌，

（1.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.湖南湖工電氣有限公司，湘潭 411101）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外各大廠商都有各自特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)，相比火力發(fā)電機(jī)組而言，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)很少，都只能完成一些簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量，并沒(méi)有高效科學(xué)的發(fā)電機(jī)故障診斷系統(tǒng).兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的核心設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也在不斷增加，隨之而來(lái)的安全運(yùn)行問(wèn)題也逐步受到重視.由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作位置的特殊性，如果發(fā)生嚴(yán)重事故，不僅對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生影響，而且修理吊裝費(fèi)用也非常昂貴.查看風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維記錄本，大多數(shù)故障主要發(fā)生在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)中.長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)，定子線圈絕緣老化是兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)故障的主要原因［1］.

無(wú)論是風(fēng)力發(fā)電業(yè)主的運(yùn)行單位還是風(fēng)電機(jī)組的制造單位，對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣狀況都十分關(guān)注，企業(yè)和科研單位都在進(jìn)行相關(guān)研究［2-4］.風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論壽命是25～30年，且風(fēng)電制造企業(yè)的質(zhì)保期一般為5年，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10年或者在常規(guī)檢測(cè)中經(jīng)常擊穿的發(fā)電機(jī)，我國(guó)關(guān)于大型電機(jī)絕緣評(píng)估中有相關(guān)規(guī)定，要求進(jìn)行繞組絕緣老化鑒定.隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，海上風(fēng)電場(chǎng)也在我國(guó)東部、東南部沿海地區(qū)發(fā)展起來(lái)，與陸地環(huán)境不同，特殊的高濕度、高鹽度和低溫條件不同程度地影響著發(fā)電機(jī)的絕緣狀態(tài).這些陸上和海上的不利條件，給風(fēng)電機(jī)組的日常維護(hù)制造了困難，也大大增加了風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維的成本.如果要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行全面細(xì)致的絕緣系統(tǒng)檢查和預(yù)防性加固修繕等工作，需要幾個(gè)月的檢修周期［5］.由于我國(guó)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間也剛剛達(dá)到10年，所以從國(guó)外對(duì)大型風(fēng)機(jī)的維護(hù)數(shù)據(jù)得知，一旦風(fēng)機(jī)使用超過(guò)20年，其運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本將占到風(fēng)電場(chǎng)收入的百分之五十［6-8］.而且隨著新能源的發(fā)展，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量將不斷增加，在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將會(huì)出現(xiàn)大面積維護(hù)狀況.因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組中核心部件的故障監(jiān)測(cè)與故障診斷顯得十分有價(jià)值.通過(guò)這些手段使定期維護(hù)、被動(dòng)維護(hù)變?yōu)樵缙诟深A(yù)、主動(dòng)維護(hù)，延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組使用壽命，增加經(jīng)濟(jì)效益［9-10］.

1 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障分析理論

目前，針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障原因分析的方法有FMEA（故障模式及后果分析法）、FMECA（故障模式后果與嚴(yán)重度分析法）、FTA（故障樹(shù)法）、馬爾科夫理論法和布爾理論五種主要故障診斷方法.其中FTA、FMEA和FMECA在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛.

FMEA是邏輯分析歸納法中的一種，在分析問(wèn)題時(shí)按照由底層到高層的順序進(jìn)行分析，通過(guò)假設(shè)每一層中每一個(gè)部件有可能的故障類型，逐層逐個(gè)向上推演.從每個(gè)部件入手分析，逐步分析每一種潛在的故障模式可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響.FMECA方法是在FMEA分析的基礎(chǔ)上增加了故障嚴(yán)重度分析［3］.

對(duì)于任何事物的分析都有一個(gè)由宏觀定性分析到微觀定量分析的過(guò)程，對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，需要針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其中布爾理論分析法、馬爾科夫理論分析法和FTA分析法是屬于定量分析；而FMEA和FMECA分析法則屬于典型的定性分析.

FMECA是由下而上進(jìn)行的，主要關(guān)注子層的潛在故障對(duì)父層系統(tǒng)產(chǎn)生的影響.FMECA是可靠性研究中的一個(gè)重要內(nèi)容.

利用FMECA找出隱藏在各層系統(tǒng)中的潛在故障原因、找出不達(dá)標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的產(chǎn)生原因是其基本任務(wù).如偏航電機(jī)溫升報(bào)警，可能是電機(jī)出現(xiàn)故障，也可能是散熱風(fēng)扇出現(xiàn)故障，同一個(gè)故障問(wèn)題可能會(huì)由不同的原因造成.FMECA在風(fēng)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)中的主要功能是：發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障征兆與原因的邏輯關(guān)系，通過(guò)邏輯關(guān)系表預(yù)防潛在性事故的發(fā)生，并把故障進(jìn)行分類和嚴(yán)重度分級(jí).

FMECA的分析過(guò)程并不抽象，接近實(shí)際分析情況，在軍工、航天和制造業(yè)應(yīng)用廣泛.這也正是其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的體現(xiàn).

2 風(fēng)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)及其故障

論文中的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)均來(lái)自某風(fēng)場(chǎng)使用的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組，該型號(hào)風(fēng)電機(jī)組為水平軸永磁直驅(qū)型，可以進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)，風(fēng)輪直徑為82.7 m，額定功率為2 MW.

為了對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各子系統(tǒng)的故障有一個(gè)宏觀的了解，把收集到的故障信息運(yùn)用FMECA進(jìn)行處理后得到表1.

表1 FMECA分析兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組各子系統(tǒng)

2.1 葉片部分

葉片制作應(yīng)用真空吸注成型技術(shù)制造葉片的主梁，減少制造中產(chǎn)生的缺陷.大型環(huán)氧樹(shù)脂葉片搭載雷電保護(hù)系統(tǒng).為保證葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)平衡效果最好，利用空氣動(dòng)力學(xué)平衡技術(shù)，把葉片間的質(zhì)量互差保持在0.1%以內(nèi)，重心互差控制在8 mm以下.風(fēng)輪葉片部分可能會(huì)出現(xiàn)葉片質(zhì)量不平衡、空氣動(dòng)力學(xué)不平衡、葉片裂紋或斷裂，如表2所示.

表2 FMECA分析兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪葉片故障

2.2 輪轂部分

輪轂在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局合理、盡量小的重量和風(fēng)阻最小的氣動(dòng)外形，經(jīng)歷疲勞強(qiáng)度分析后通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)一步優(yōu)化，研究時(shí)所使用的風(fēng)機(jī)輪轂為薄壁球殼結(jié)構(gòu).輪轂結(jié)構(gòu)鑄造性好，材料為EN-GJS-350-22U-LT強(qiáng)度較高.

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在氣象條件相對(duì)較差的地區(qū)，有時(shí)容易造成葉片開(kāi)裂和輪轂鎖死等故障.相對(duì)而言，輪轂的故障發(fā)生率是比較小的，如表3所示.

表3 FMECA分析兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組輪轂故障

2.3 變槳系統(tǒng)

該型號(hào)風(fēng)電機(jī)組采用獨(dú)立變槳設(shè)計(jì)，變槳系統(tǒng)由變槳裝置、變槳軸承組成.每套變槳裝置由帶PTC保護(hù)和計(jì)數(shù)裝置的直流伺服電機(jī)、行星減速器、齒輪潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成.變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)變槳軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，變槳軸承帶動(dòng)葉片完成改變槳距角的動(dòng)作.

變槳裝置由整流器帶動(dòng)伺服電機(jī)提供動(dòng)力，用于變槳控制和正常停機(jī).當(dāng)風(fēng)電機(jī)組遭遇某些特殊情況時(shí)，會(huì)觸發(fā)緊急停機(jī)程序，假如集電線路或輸電線路突然出現(xiàn)故障無(wú)法為風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，此時(shí)變槳驅(qū)動(dòng)裝置只能依靠蓄電池來(lái)提供動(dòng)力，利用各種傳感器收集信息發(fā)送至PLC，處理后控制變槳電機(jī)完成自動(dòng)收槳，這項(xiàng)功能非常重要，如若沒(méi)有順利收槳，很可能出現(xiàn)倒塌的危險(xiǎn).

圖1 變槳結(jié)構(gòu)示意圖

從風(fēng)場(chǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，該風(fēng)場(chǎng)變槳電機(jī)的散熱風(fēng)扇故障率較高，在極端天氣或特殊情況下緊急停機(jī)后，槳葉回收到順槳位置，此時(shí)的動(dòng)力來(lái)源是蓄電池，如果槳葉未成功回到順槳位置，可能會(huì)出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故.所以，安全平穩(wěn)收槳既是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，也是一個(gè)安全問(wèn)題.

對(duì)于變槳系統(tǒng)而言，可能發(fā)生的故障模式有驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)熱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)過(guò)大、變槳軸承磨損或過(guò)熱、變槳控制系統(tǒng)通訊異常、編碼器異常、內(nèi)部電路短路、電池漏液等故障信息，如表4所示.

表4 FMECA分析兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)故障

2.4 發(fā)電機(jī)總成

該風(fēng)機(jī)采用的發(fā)電機(jī)是的永磁發(fā)電機(jī)，采用了釹鐵硼等永磁體材料而不需勵(lì)磁系統(tǒng)，其主要由錐形支持、定子、轉(zhuǎn)子、主軸承、轉(zhuǎn)子制動(dòng)器等組成，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 發(fā)電機(jī)3D結(jié)構(gòu)示意圖

永磁同步發(fā)電機(jī)不需要外部勵(lì)磁，由釹鐵硼等材料構(gòu)成的永磁體為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁，這樣的設(shè)計(jì)使永磁同步發(fā)電機(jī)損耗明顯降低.定子繞組用真空壓力浸漆（VPI），采用F級(jí)以上的絕緣結(jié)構(gòu)，使用壽命可達(dá)20年以上.采用了永磁體安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝拆的專有工藝，在短路情況下減少造成永磁體永久退磁的可能.

風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在特殊環(huán)境，會(huì)遇到軸承溫度過(guò)高、發(fā)電機(jī)過(guò)熱，由于發(fā)熱又會(huì)引起絕緣損壞、永磁體失磁；部分電機(jī)還會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大，隨之產(chǎn)生大量噪音，如振動(dòng)頻率達(dá)到某些設(shè)備的固有頻率會(huì)引發(fā)其他危害.

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的故障模式有：振動(dòng)異常、溫升超標(biāo)、軸承變形和永磁體退磁等，如表5所示.

表5 FMECA分析兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障

3 總結(jié)

本文以某大型風(fēng)電場(chǎng)的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障進(jìn)行了研究.利用FMECA分析理論，對(duì)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)、風(fēng)輪系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)、偏航制動(dòng)系統(tǒng)和變流器進(jìn)行了分析和研究.制作的相應(yīng)表格可以直接反映故障發(fā)生頻率、嚴(yán)重等級(jí)和故障對(duì)局部、上層、整體的影響.在理論分析后，結(jié)合南山風(fēng)電場(chǎng)日常故障維修方案，給出相應(yīng)故障的解決措施.