上海中廣核工程科技有限公司 張 毅

1 引言

風(fēng)電對(duì)于改善能源供應(yīng)，改變能源結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展意義重大。隨著技術(shù)的推陳出新和機(jī)組容量的增大，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，因此如何預(yù)防和及時(shí)消除風(fēng)電機(jī)組的故障成為關(guān)注的熱點(diǎn)。由于風(fēng)電機(jī)組所在風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況復(fù)雜多變且運(yùn)行環(huán)境惡劣，經(jīng)歷著酷暑、嚴(yán)寒、雷雨等不良環(huán)境的侵蝕，極易引起各種設(shè)備或電力事故。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障原因分析及診斷方法的科學(xué)研究，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，對(duì)于提升風(fēng)電機(jī)組工作的安全性，保障其穩(wěn)定運(yùn)行有著重大現(xiàn)實(shí)意義。

2 風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)故障及原因分析

2.1 塔筒及基礎(chǔ)常見(jiàn)故障及原因分析

塔筒起著支撐機(jī)艙和吸收振動(dòng)沖擊的重要作用。國(guó)內(nèi)風(fēng)電塔筒多由合金鋼作為原料進(jìn)行生產(chǎn)加工，一般由三段或者四段筒體組成，筒體間通過(guò)螺栓連接。由于風(fēng)機(jī)塔筒暴露在野外環(huán)境中，在外部環(huán)境等綜合因素的作用下，極易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔筒發(fā)生銹蝕。造成銹蝕現(xiàn)象的具體原因如下。

一是由于附著在塔筒表面的涂料使用壽命超限，使得涂料表層粉化、剝落、起泡、松動(dòng)等；二是在最初進(jìn)行涂裝作業(yè)時(shí)，外表處理過(guò)程不完全或沒(méi)做好外表處理過(guò)程的前提下完成了涂料澆筑，所導(dǎo)致的涂料剝落、松動(dòng)或污物因潮濕空氣滲透至底材；三是在涂裝施工過(guò)程中，施工工藝未掌控好，使底漆厚薄不一致，不能發(fā)揮較好的防銹功效；四是因特大風(fēng)沙等災(zāi)害而導(dǎo)致涂層的損壞；五是在搬運(yùn)、吊裝過(guò)程中未能受到良好的防護(hù)，造成涂層損壞。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒銹蝕常用的處理方法如下。一是對(duì)局部腐蝕部位的表面進(jìn)行噴射處理，徹底剝離腐蝕處已氧化的腐蝕面和舊鍍層，露出金屬母材達(dá)到S2.5級(jí)。在處理部位的邊緣，通過(guò)動(dòng)力砂輪研磨產(chǎn)生有梯度的過(guò)渡層，以便在經(jīng)過(guò)噴漆施工后有一圓滑的表層。二是手刷或滾涂底漆至規(guī)范的涂層厚度。三是中涂漆施工時(shí)，可通過(guò)刷涂或噴涂手段達(dá)到原有設(shè)計(jì)的油漆厚度。四是面漆工藝：如果采用了局部處理的方法，當(dāng)中間漆處理工藝和漆膜厚度均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，可進(jìn)行噴漆或刷涂面漆以達(dá)到原來(lái)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。如果采用整體全面處理的方式，需在中涂漆厚度達(dá)標(biāo)后對(duì)于整個(gè)塔筒外表面進(jìn)行了徹底的清洗。

2.2 葉片及變槳系統(tǒng)故障及原因分析

很多風(fēng)場(chǎng)在質(zhì)保期間不重視葉片保養(yǎng)，質(zhì)保期過(guò)后出現(xiàn)批量葉片的質(zhì)量問(wèn)題。比如葉片的外表膠衣壽命最多二年保養(yǎng)一遍，但是對(duì)于風(fēng)場(chǎng)維護(hù)檢修人員，相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有限，如果葉片目測(cè)完好、無(wú)斷裂，不影響發(fā)電就認(rèn)為葉片正常。葉片的外表膠衣有抗紫外光、防風(fēng)沙、防結(jié)冰等特性，但是玻璃鋼的自然本體如果缺乏外表涂料保護(hù)，直接遭受日光、風(fēng)沙、酸雨環(huán)境就會(huì)產(chǎn)生發(fā)白、分層等狀況，久而久之就會(huì)發(fā)展為更大問(wèn)題或事故。所以主張對(duì)葉片以保養(yǎng)為先，維修為輔的原則，以提高葉片的壽命和效率。

2.2.1 葉片在運(yùn)行過(guò)程常見(jiàn)的缺陷

一是針孔，葉片針孔主要是因?yàn)槿~片出廠前未完全處理，在長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)過(guò)程，加劇葉片損壞，影響風(fēng)機(jī)發(fā)電功率，甚至導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。二是合?？p開(kāi)裂，此種缺陷主要由于風(fēng)機(jī)急停次數(shù)較多或者合?？p未處理達(dá)標(biāo)導(dǎo)致。急停會(huì)使葉片旋轉(zhuǎn)速度急速下降，合?？p處產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力，數(shù)量較多的急停次數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致上述問(wèn)題的發(fā)生。三是雷擊導(dǎo)致葉片損壞，雷擊葉片導(dǎo)致瞬間過(guò)流值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值、接地導(dǎo)線松動(dòng)、斷裂、脫落等導(dǎo)致葉片損壞。需定期檢查維護(hù)葉片接地裝置。四是結(jié)霜掛冰，葉片長(zhǎng)時(shí)間的旋轉(zhuǎn)，受風(fēng)力影響，表面防護(hù)油漆可能會(huì)脫落，導(dǎo)致葉片表面的清潔度、光澤度降低，在特殊的天氣原因下，結(jié)霜掛冰，影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)度。五是葉片斷裂、彎曲、偏移、疲勞失效，由于葉片的長(zhǎng)度和剛度上的特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中葉片自身不規(guī)則的震動(dòng)極易導(dǎo)致葉片破碎。機(jī)組經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，在葉片表面的塵土、鳥(niǎo)類(lèi)排泄物或是在惡劣天氣中葉片表面結(jié)霜等，都會(huì)引起葉片氣動(dòng)特性的改變，造成葉片受力不均和整體重心移位，再加之葉片長(zhǎng)期遭受交變載荷的影響，最終會(huì)導(dǎo)致疲勞損壞[1]。

2.2.2 變槳系統(tǒng)常見(jiàn)故障及分析

一是因變槳電機(jī)的機(jī)械故障所造成不能進(jìn)行變槳作業(yè)。導(dǎo)致該故障的發(fā)生多數(shù)是由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)缺少潤(rùn)滑所致。二是變槳控制回路故障導(dǎo)致無(wú)法變槳操作。變槳控制回路繼電器或輔助觸點(diǎn)的虛接或斷開(kāi)導(dǎo)致該問(wèn)題。三是緊急回槳失敗，多數(shù)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。目前大部分整機(jī)廠家都采用蓄電池或超級(jí)電容作為緊急備用電源，后備電源的狀態(tài)會(huì)直接影響緊急狀況下葉片能否正常順槳。此外，該問(wèn)題也有可能是由于變槳電機(jī)的機(jī)械故障導(dǎo)致。四是變槳系統(tǒng)日常檢查需加強(qiáng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的檢查，定時(shí)加注新油，及時(shí)處理廢油，檢查潤(rùn)滑管道是否堵塞，參數(shù)設(shè)置是否合理，油泵能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)等；控制回路定期檢查；蓄電池或超級(jí)電容的定期檢查等。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)各部件常見(jiàn)故障及原因分析

主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器等旋轉(zhuǎn)部件是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的主要構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換和傳遞，是風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)連接的紐帶。這些主要構(gòu)成設(shè)備受風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的復(fù)雜載荷狀態(tài)、多變運(yùn)行工況、多變環(huán)境條件和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)布局等方面的影響，通常存在特殊的故障機(jī)理與故障模式[2]。所以，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的運(yùn)行特性和故障判別的共性問(wèn)題，探究出新的科學(xué)與工程技術(shù)處理方法，以提升故障診斷能力與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，對(duì)保障風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的正常健康運(yùn)轉(zhuǎn)有著重大意義。

2.3.1 軸承失效

風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈中包含了主軸軸承、齒輪箱軸承、發(fā)電機(jī)軸承等。伴隨著風(fēng)電機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)引發(fā)多種導(dǎo)致軸承失效的可能，其失效模式一般可分為疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、開(kāi)裂或斷裂。

2.3.2 主軸潤(rùn)滑油封密封泄漏

風(fēng)電機(jī)組的主軸作為傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于連接風(fēng)輪和齒輪箱，其中包含的浮動(dòng)軸承和止推軸承均存在油封密封易泄漏的問(wèn)題，而選用了適當(dāng)?shù)挠头獠粌H能夠有效減少泄漏問(wèn)題的發(fā)生，還極大地提高風(fēng)機(jī)工作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)對(duì)工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，影響泄漏的原因主要包括溫度、顆粒物雜質(zhì)、軸的振動(dòng)以及偏心量的影響等。

2.3.3 齒輪箱常見(jiàn)故障

一是滲漏油，導(dǎo)致齒箱出現(xiàn)該類(lèi)問(wèn)題可能的原因包括空氣濾芯器不暢通，箱體內(nèi)外部存在壓差，從而發(fā)生滲漏油故障；廢油排除孔不通，廢油堆積而出現(xiàn)滲漏油故障；端蓋密封件損壞導(dǎo)致潤(rùn)滑油滲漏故障；液位太高或者壓力過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致滲漏油。二是齒輪箱外部元器件的損壞，PT100、壓力表、加熱器、液位傳感器、壓力傳感器，這些均屬于齒輪箱外部元器件且為易損毀部件。三是齒輪箱在運(yùn)行過(guò)程中由于PT100異常、高速軸不對(duì)中、冷卻風(fēng)扇失效等引發(fā)的溫度報(bào)警也為常見(jiàn)故障。除了上述齒箱故障之外，齒輪箱內(nèi)部軸系間隙出現(xiàn)偏差、行星輪軸承失效、潤(rùn)滑系統(tǒng)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)、齒輪箱支座失效也都在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中較為常見(jiàn)。

2.4 發(fā)電機(jī)、變流器常見(jiàn)故障及原因分析

2.4.1 發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障

雙饋電機(jī)主要由電機(jī)本體和冷卻系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，電機(jī)本體一般由定子、轉(zhuǎn)子與軸承系統(tǒng)構(gòu)成。該種發(fā)電機(jī)在長(zhǎng)期多變工況下運(yùn)行和電磁環(huán)境中易發(fā)生下列故障。

一是發(fā)電機(jī)過(guò)溫，常見(jiàn)的是軸承和轉(zhuǎn)子溫度高，造成發(fā)電機(jī)過(guò)溫故障的主要原因，一般包括軸承缺油或間隙過(guò)小，致使軸承摩擦碰撞發(fā)生過(guò)溫現(xiàn)象；軸承偏磨斷裂和可能的轉(zhuǎn)子軸彎曲也可能導(dǎo)致該故障；或者是磁片裝配存在偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極和定子鐵芯發(fā)生摩擦碰撞，也就是常說(shuō)的掃膛現(xiàn)象；再或者是發(fā)電機(jī)定子線圈匝間短路、開(kāi)路，或接線錯(cuò)誤，使發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生短路電流。

二是發(fā)電機(jī)振動(dòng)超限，其主要原因包括雙饋發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子由變流器提供穩(wěn)定的電壓并高速旋轉(zhuǎn)，如果質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心存在偏差就會(huì)產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，離心力越大，振動(dòng)越強(qiáng)烈?；蚴前l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在正常工作時(shí)，如發(fā)生斷條、脫落或不均勻磨損、結(jié)垢、繞組松動(dòng)，這些因素都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡，從而引發(fā)電機(jī)的抖動(dòng)。此外，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈短路、轉(zhuǎn)子斷條、絕緣層損壞也均為現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)故障。

2.4.2 變流器常見(jiàn)故障

變流器主要由兩部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器，二者獨(dú)立控制。變流器在運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的故障。一是Crowbar 電阻故障；二是IGBT 故障，其主要故障包括過(guò)流擊穿和燒毀；三是其他易損元器件的燒毀，如繼電器、接觸器燒毀或控制回路、并網(wǎng)回路故障。

3 風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)電氣故障診斷方法

3.1 常見(jiàn)電氣故障分類(lèi)

風(fēng)電機(jī)組的電氣類(lèi)問(wèn)題故障，可按故障的特性、表象、成因或結(jié)果等加以劃分。根據(jù)故障特性不同，分為硬件和軟件兩種類(lèi)型；按照故障出現(xiàn)時(shí)有無(wú)提示，可劃分成有診斷指示故障和無(wú)診斷指示故障；根據(jù)故障是否具有破壞性，可分為破壞性故障和非破壞性故障；依照故障產(chǎn)生的形式，也可劃分整體性故障、隨機(jī)性事故等。

3.2 常見(jiàn)電氣故障診斷方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為一種高度智能化的系統(tǒng)，故障現(xiàn)象紛繁復(fù)雜。有經(jīng)驗(yàn)的檢修維護(hù)人員，可以利用對(duì)故障出現(xiàn)時(shí)各種異?，F(xiàn)象的直接觀察來(lái)排除故障原因，如根據(jù)空開(kāi)、漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、接觸器、熔斷器等元器件是否已動(dòng)作，通過(guò)圖紙查找故障位置，在必要時(shí)可以借助萬(wàn)用表或示波器等儀表，確認(rèn)有無(wú)過(guò)流、過(guò)壓、短路、超溫以及不正常波形等。此外，還可以通過(guò)觸碰電氣元器件，判斷有無(wú)松動(dòng)，查找故障點(diǎn)位。利用這些直接觀測(cè)的方式，能夠迅速判斷故障部位。而對(duì)較繁雜、缺乏外觀異常特征的故障，可采取如下方式，以輔助分析并排除故障。

3.2.1 部件交換法

該辦法是在剖析出發(fā)生故障大體原因的情況下，檢修維護(hù)人員可利用整個(gè)系統(tǒng)中現(xiàn)有的同一種類(lèi)的元件來(lái)進(jìn)行替代疑點(diǎn)部分，以便于將出現(xiàn)故障區(qū)域范圍縮小至某一元件。

3.2.2 接口狀態(tài)檢查法

風(fēng)電機(jī)組中的變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、測(cè)風(fēng)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)都和PLC 之間存在數(shù)字量、模擬量、通信等多種接口信號(hào)形態(tài)。一些故障是和接口信息出錯(cuò)或丟失有關(guān)，這些故障狀態(tài)信息能夠通過(guò)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器、接口板、PLC 指示燈或HMI 調(diào)出和顯示，從而通過(guò)查看接口數(shù)據(jù)狀態(tài)來(lái)判斷故障所在。

3.2.3 參數(shù)調(diào)整法

風(fēng)電機(jī)組的一些參數(shù)如超速、振動(dòng)、電壓、溫度等閾值可通過(guò)程序或HMI 等進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的操作工況和功能狀態(tài)需要。這些參數(shù)，使得機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行后的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。所以，任何參數(shù)的改變都會(huì)一定程度上影響機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)行狀態(tài)等。可以利用這個(gè)特點(diǎn)，在確保機(jī)組安全的前提下通過(guò)適當(dāng)修改相關(guān)參數(shù)鎖定或消除機(jī)組故障。

3.2.4 記錄分析法

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄工作時(shí)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)以及發(fā)生故障前后一段時(shí)間內(nèi)的技術(shù)參數(shù)，對(duì)故障數(shù)據(jù)分析及事件現(xiàn)場(chǎng)狀況還原提供了數(shù)據(jù)信息真實(shí)性保障。風(fēng)機(jī)故障數(shù)據(jù)快照功能可以為機(jī)組的維護(hù)和故障處理提供極大的便利，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的真正工作過(guò)程數(shù)據(jù)和發(fā)生故障前后的模擬量和開(kāi)關(guān)量加以分析、鑒定，運(yùn)行維護(hù)人員使用測(cè)量工具和相關(guān)軟件就能夠找到其中的規(guī)律性，以便于迅速判斷故障特性，正確判斷故障區(qū)域和具體問(wèn)題元器件。通過(guò)上述方法基本可甄別風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)的電氣故障，并及時(shí)將其處理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)機(jī)械、電氣故障，故障原因及診斷方法。從文中可以看出，風(fēng)電機(jī)組故障涉及面廣，涵蓋電氣、機(jī)械、液壓等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。因此，掌握常見(jiàn)故障診斷方法，快速定位故障點(diǎn)，對(duì)于系統(tǒng)復(fù)雜的風(fēng)電機(jī)組快速有效的排除故障，第一時(shí)間或提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障或隱患并進(jìn)行維修和消除，提高風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)場(chǎng)MTBF、TBA、PBA 等運(yùn)行指標(biāo)，對(duì)保證風(fēng)場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有重要意義。