直驱风力发电机组常见故障分析及安全保护技术研究

直驱风力发电机组常见故障分析及安全保护技术研究

肖建国

绵阳西磁磁电有限公司 四川 绵阳 621000

摘要：近年来，风力发电技术迅速发展，风电年装机容量超过50GW。随着风力发电应用范围越来越广，风力发电机组的维护也成为日益影响风电发展的重要问题。本文主要对风力发电机组各种常见故障进行分析，并对风电机组的安全保护技术进行研究。

关键词：风力发电机组；故障分析；安全保护

引言

风电发电机组主要包括：塔架、叶片、发电系统、控制系统、偏航系统五个主要组成部分。相比于其他的发电方式，风力发电属于可在生清洁能源，是我国推行的节能环保工程。风力发电机组运行的过程中会受到多方面因素的影响，从而出现各种故障，因此有必要对风力发电机组的进行故障分析和安全保护研究，保障风力发电机组的稳定运行。

1常见风力发电机组故障及分析

1.1塔架常见故障及分析

1.1.1塔架常见故障

塔架一般分为钢圆筒形塔架、多边形全拼装塔架、桁架结构塔架、混凝土结构塔架，主要用于支撑风力发电系统。塔架一般会出现紧固件松动、防雷接地装置的锈蚀等故障，若不及时处置，将会导致风力发电机组倒塌、起火等严重事故。

1.1.2塔架故障原因分析

紧固件松动主要原因是塔架受风力方向及强弱变化影响，紧固部位交变受力；防雷接地装置锈蚀主要原因是塔架受户外高温曝晒及复杂大气环境影响，造成防护层脱落，进而锈蚀。

1.2叶片常见故障分析

1.2.1叶片常见故障

叶片也被称为桨叶，具有空气动力外形，是根据空气动力学原理设计的，决定风轮效率和工作稳定性。风电机组运行一段时间后，叶片易产生砂眼磨损、裂纹及断裂损伤。砂眼如果不及时处置，将会增加叶片运转阻力；若雨季砂眼内存水，还容易导致叶片受雷击。叶片的纵向裂纹可导致叶片开裂，横向裂纹可导致叶片断裂。

1.2.2叶片故障原因分析

叶片产生砂眼的主要原因是机组运行一段时间后，叶片受风沙产生高速撞击，出现细小砂眼，之后在风吹雨淋中很快演变为大砂眼洞；叶片产生裂纹及断裂的主要原因主要有以下几个方面，一是叶片出厂时本身存在内部缺陷，进而变成裂纹，二是叶片受高低温循环冲击，造成叶片基体开裂，三是叶片运转时受力弯曲和自振，也会导致叶片内粘合缝处自然开裂。

1.3发电系统常见故障分析

1.3.1发电系统常见故障

风力发电机组的发电系统主要包括发电机和变流器，根据使用环境，部分机组配有冷却系统。风力发电系统的职能是把风轮旋转的机械能转变成电能，并输送给电网。

发电机常见故障主要有：发电机不发电、输出电压偏低、电压振荡、发电机过热、发电机超速、轴承故障等。

变流器常见故障主要有：变流器过载、变流器温度过高。

1.3.2发电系统故障原因分析

发电机不发电的主要原因包括：发电机转子或定子断线、短路或接触不良，发电机磁钢失磁。输出电压偏低的主要原因包括：集电环和输出线路中连接点导电不良、永磁转子退磁、发电机转速低。电压振荡的主要原因包括：电网电压振荡、电刷跳动、发电机输出线松动、谐波引起的电压振荡。发电机过热的主要原因包括：负载太重、散热不良、轴承损坏或磨损严重。发电机超速的主要原因包括：发电机损坏、电网故障、传感器故障。轴承故障的主要原因包括：线圈漏电，电流流经轴承，产生电火花熔融轨道表面；轴承碾压疲劳引起剥离；异物进入轴承缝隙；润滑油过多、过少、变质或不纯等。

变流器过载的主要原因包括：变流器负载发生突变、负载分配不均及输出短路。变流器温度过高的主要原因包括：散热系统出现故障、长时间过载。

1.4控制系统常见故障分析

1.4.1控制系统常见故障

控制系统主要包括电气控制系统、变桨系统、制动系统、液压系统。风力发电机组的控制系统是一个综合性系统，贯穿到机组每个组成部分，相当于风电系统的神经。控制系统的设计原则是确保高安全性和可靠性，保证最大电能的输出、易于扩展、便于维护。

电气控制系统常见故障主要有：电气电路故障、传感器故障、变频器故障。

变桨系统常见故障主要有：变桨控制通信故障、桨叶失控、蓄电池故障。

制动系统常见故障主要有：制动器启动和制动缓慢、制动力矩不够、摩擦块磨损异常严重。

液压系统常见故障主要有：油压过低、液压阀门失灵。

1.4.2控制系统故障原因分析

电气电路故障的主要原因包括：输入信号电路脱落或腐蚀；控制电路、端子板及母线接触不良；执行输出电动机或电磁铁过载或烧毁；保护电路熔丝烧毁或空气断路器过电流保护；热继电器、中间继电器及控制接触器安装不牢，接触不可靠；配电箱过热或配电板损坏。传感器故障主要原因包括：传感器引线振断、热电阻元件损坏、激励信号调整不准确。变频器故障主要原因包括：变频器电源板虚接、集电环损坏。

变桨控制通信故障主要原因包括：信号线——集电环——轮毂回路出现干扰、断线，航空插头损坏，集电环接触不良，通信模块损坏。桨叶失控主要原因包括：桨距角传感器故障或轴控制器、齿轮故障；杂物卡主限位开关，造成限位开关提前触发。蓄电池故障主要原因包括：蓄电池损坏、充电回路故障。

制动器启动和制动缓慢主要原因包括：液压系统中有空气、摩擦块和制动盘之间间隙大、液压系统中有异常堵塞、油孔太小且液压油黏度过大、液压系统内有异常节流。制动力矩不够主要原因包括：载重过大或转速过高、气隙太大、制动器闸垫故障或没磨合、安全制动器管路没有充分泄压、密封组件损坏。摩擦块磨损异常严重主要原因包括：制动器超载、制动器提起不适当。

油压过低主要原因包括：液压泵失效、吸油口漏气、油路有较大泄露、液压阀调节不当或液压缸内泄。液压阀门失灵主要原因包括：电气控制系统相关部门存在故障、起复弹簧折断、油路管路堵塞或爆裂、阀芯卡滞。

1.5偏航系统常见故障分析

1.5.1偏航系统常见故障

偏航系统主要包括偏航驱动装置、偏航轴承、偏航制动器、偏航液压装置、滑垫保持装置、圆弹簧及调整螺栓、限位开关、接近开关和风向仪等零部件。偏航系统主要功能是测得风向并根据风向变化控制机组风轮始终对风，因此偏航系统也称为对风装置。

偏航系统常见故障主要包括：偏航压力不稳、偏航定位不准、偏航超时、偏航功率高、齿圈齿面磨损、机舱噪声及异常振动。

1.5.2偏航系统故障原因分析

偏航压力不稳主要原因包括：液压管路出现渗漏，液压蓄能器的保压机构出现故障，液压系统元件损坏。偏航定位不准主要原因包括：风向标信号不准确；偏航阻尼力矩过大或过小；偏航制动力矩不够，达不到机组设定值；偏航齿圈与驱动齿轮齿侧间隙过大。偏航超时主要原因是偏航传感器线路故障。偏航功率高的主要原因包括：偏航力矩过大，减速机内油脂过稠。齿圈齿面磨损的主要原因包括：齿轮副的长期啮合运转，相互啮合的齿轮副齿侧间隙内有杂质，齿轮副缺乏润滑。机舱噪声及异常振动的主要原因包括：偏航驱动装置中油位过低，机械结合部缺乏润滑，电机编码器及线路故障。

2风力发电机组安全保护技术研究

2.1风力发电机组故障诊断技术的发展

所谓风力发电机组故障诊断技术，就是指通过对风力发电机组设备运行情况进行监控、分析和测评，来实现对设备故障位置及故障类型的准确判别，以便后续检修维护工作的顺利开展。通过合理利用故障诊断技术，能够帮助技术人员及时发现风电机组运行故障，并对故障类型及产生的原因进行准确的判断，从而有效降低设备故障所带来的安全隐患问题，从根本上提升设备的维修效率及运行效率，并进一步实现对运行维护成本的有效控制。在早期阶段，电信号分析技术的研究内容主要为信号波形幅度的变化情况，此类方式只能对机械损坏程度及故障位置进行大致的判断。随着各型传感器在风机关键部位的大量应用，以及先进智能监测分析系统的分析诊断，故障查找的精确性和效率也在逐步提高，这给风力发电机组的大规模推广创造了极好的条件。

2.2风力发电机组安全保护技术研究

2.2.1雷击保护

风力发电机组通常所处位置海拔比较高，并且自身处于50米以上的高空，因此各部件容易造成雷击现象。国外曾经做过相关研究，雷击主要集中在3个部位：塔架，叶片，发电系统，控制系统。按照雷击损害方式来看，主要有3种损害方式：雷电电脉冲、雷电感应和直击雷。

针对雷电脉冲的保护措施：金属机舱和塔筒构成法拉第笼，起到初级屏蔽作用；设备信号线、电源线及发电机组防护区内电缆采用双层遮蔽并作接地处理，形成次级屏蔽，以达到防雷电脉冲损害。对应雷电感应和直击雷的防护，现在主流的做法通常是等电位连接防护、增加电泳保护器，以及防雷接地等来达到散流、均压的目的。

2.2.2消防保护

风力发电机组容易发生火灾，机舱内部的发电机、液压系统、刹车系统、偏航驱动器、控制柜，轮毂内部的驱动电机、电池柜以及塔底的变流器、变压器等。这些部件由于长时间处于工作状态，如果保养不及时或零部件老化等，极易发生火灾现象。针对这种情况，需要配置独立的火灾探测器，来及时发觉火情；在容易引发火情部位，利用光纤火灾探测器或感温电缆对风机机舱内各部件温度、烟雾浓度和火焰进行实时监测，保证现场信息快速准确地采集和反馈。鉴于风场一般远离城市中心，传统的消防救援模式已经远远不能保障消防安全，目前风场一般采用基于物联网的远程消防监测系统，做到随时监测，即刻通报。另外要有针对性的置备消防物料，比如惰性气体或高压水雾灭火装置等，以方便对密闭的空间和空气流动性较强的位置，如齿轮箱、发电机和刹车系统等，发现火情时能够第一时间进行有效扑救。

2.2.3制定紧急状况的应对措施，减少紧急事故的影响

风力发电机组主要安装于户外环境，因此在发生自然灾害的时候，会对设备的运行产生严重的威胁。所以需要通过合理的措施加强机组的电压保护，尤其是雷电接收传导系统的应用。同时，在设备运行的过程中也会受到风速问题的影响，风力过大会导致发电机组出现停机的故障。除此之外，在一些潮湿的环境、气温较低的环境中，也会导致机组出现停机状态。这就需要工作人员在机组运行之前对设备的绝缘性能进行合理的检查，保证设备运行符合标准的要求。

2.2.4加强机械传动部位的保养维护

在风力发电机组的运行过程中，桨叶控制、发电机传动均会采用齿轮机构，加强对齿轮机构的维修以及养护措施，能够保证整个机组的运行安全。在日常的检查工作中还需要对液压系统的油位进行合理的检查，防止出现漏油的问题；检查齿面的使用情况，防止出现不平整以及不明震动的情况发生。

结语

作为可再生能源的重要组成部分，风力发电技术有着其独特的应用优势。通过对风力发电机组故障进行诊断分析，能够明显提高故障诊断效率及准确性，为后期的设备维检工作起到良好的引导作用。同时，我们还应提高风电机组维护意识，做好常规保养，延长风电机组使用寿命，降低风电场后期成本，为我国风力发电领域及相关行业的长远发展打下坚实的技术基础。

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