风力发电机变流器故障的分析与改进

风力发电机变流器故障的分析与改进

张毅

中广核新能源新疆分公司 新疆乌鲁木齐838200 摘要:为了保证设备的可靠性，发电机组变流器中的大功率电气元件在运行过程中会产生大量的热量，因此需要及时进行换热和冷却。因此，散热能力决定了发电能力，稳定、可靠、安全的冷却系统是设备稳定运行的基础。

关键词：风力发电机；变流器；水冷系统；故障分析；优化建议；

对反馈频率较高、影响较大的l 5MW系列风力发电机组水冷系统存在的电加热器烧坏、系统压力报警、气囊破裂及电控逻辑异常等故障进行了分析，根据分析结果提出了更新水冷系统说明书交付资料、优化设备组件及完善主控系统电控程序等建议，为水冷系统的设计优化和日常维护提供参考。

一、水冷系统工作原理

恒定压力和流速的冷却介质源源不断地流经变流器带走热量，温升介质由高压循环泵的进口经室外空气散热器与冷空气进行热交换，空气散热器将冷却介质带出的热量交换出去，散热后冷却介质再循环进入变流器。在水冷系统柜内管路和柜外管路之间设置电动三通阀，主控系统根据当前冷却水温度值自动控制电动三通阀阀位，从而调节循环冷却水进入空气散热器进行换热的流量，实现精确调节温度的功能，通过电加热器对冷却水温度进行强制补偿。在主循环泵人口加有压缩空气稳压单元，该稳压单元由膨胀罐、气泵及电磁阀等组成，可以保持系统恒压并能吸收系统中冷却介质的体积变化，从而保证整个系统的正常运行。膨胀罐的底部充有稳定压力的压缩空气，当系统压力损失时，压缩空气自动扩张。把冷却水压入循环管路系统，以保持管路的压力恒定和冷却水充满。当系统压力小于设定压力时，气泵自动进行补气增压来补偿压力的损失；当压力较高时：由电磁阀排放由于温度变化而产生的多余气体。

二、分析故障

反馈频率较高、影响较大的水冷系统故障有电加热器烧坏、系统压力报警、气囊破裂及电控逻辑异常。

1.电加热器烧坏分析。为防止电加热器在加热罐体内无水或水不流动的情况下启动而干烧损坏，在电加热器罐上设有软管连至膨胀罐，顶端安装有自动排气阀，在水泵运行过程中，加热器不会烧坏。为判断电加热器在缺水严重或水泵停运时是否继续运行，需将电加热器启动与主泵运行状态及压力关联，压力低及水泵停运时，电加热器停止运行，主泵运行及不报出阀压力低时电加热器才投运。

2.系统压力报警、气囊破裂分析。（1）稳压单元介绍。1．5MW系列风力发电机组水冷系统稳压单元由膨胀罐、气泵及电磁阀等组成，采用气囊式膨胀罐。膨胀罐也叫气压罐、压力罐、缓冲罐等，膨胀罐的结构可分为隔膜式和气囊式2种，膨胀罐的工作原理：由其结构可知，当膨胀罐用于系统中时，由于系统压力比预充气体的压力大，所以会有一部分工作介质进人气囊内(对隔膜式膨胀罐来讲是进入罐体内)，直到达到新的平衡。当系统压力再度升高且系统压力再次大于预充气体的压力时，又会有一部分介质进入囊内，压缩囊和罐体间的气体被压缩后压力升高，当升高到与系统压力一致时，介质停止进入；反之，当系统压力下降，系统内介质压力低于囊和罐体问的气体压力时，气囊内的水会被气体挤出补充到系统内，使系统压力升高，直到系统工作介质压力与囊和罐体间的气体压力相等，维持动态的平衡。膨胀罐的主要作用：膨胀罐被广泛地应用于中央空调、锅炉、热水器、变频及恒压供水设备中，能够缓冲系统压力波动，消除水锤，起到稳压卸荷的作用；在系统内水压发生轻微变化时，膨胀罐气囊的自动膨胀收缩会对水压的变化有一定缓冲作用，能保证系统的水压稳定，水泵不会因压力的改变而频繁开启。1．5MW系列风力发电机组水冷系统膨胀罐内腔顶部装有气囊，通过顶部软管与循环冷却管路连接，内腔底部连接补气泵和排气阀。气囊储液用于补偿正常运行时少量渗漏和电解挥发的水，气囊占膨胀罐内腔容积的1／2—3／4，气囊外的罐内腔空间填充压缩空气，膨胀罐内气、水不直接接触，通过气囊的膨胀和收缩来传递压力。当水冷系统运行温度上升时。冷却液受热体积膨胀，气囊被囊内水充满而膨胀，当进、出阀压力上升至排气电磁阀开启压力定值时，排气电磁阀启动，降低膨胀罐气压，使水冷管路的水流入气囊内，保持系统运行压力处于正常范围，不产生压力高报警；当水冷系统运行温度下降时，冷却液遇冷体积收缩，气囊被囊外的气体压缩。当进、出阀压力下降至空气压缩泵开启压力定值时，空气压缩泵启动补气，提升膨胀罐气压，将气囊内的水压入水冷管路，保持系统运行压力处于正常范围．不产生压力报警。水冷系统依靠压力来判断系统内的水是否充满：当进阀压力降至补气泵启动压力时，补气泵启动进行补气，将储存于膨胀罐气囊内的水压缩进水冷系统内，对系统正常运行时微量渗漏和电解挥发的水进行补偿，保持水冷系统水的充满及运行压力要求；当进阀压力降至补气泵启动压力时，补气泵启动进行补气，将气囊内储水压缩至水冷系统内，但系统内水仍不能完全充满，补气泵持续补气已不起作用，不能补偿系统水量和提高系统压力，同时还会导致气囊被完全压缩而损坏及补气泵过载运行而烧坏。（2）故障分析。对已破裂气囊进行检查分析，气囊破裂点都在离气囊口4—5 em处，裂口长度均为8mm左右，破裂特征相似，判断气囊可能是由同一个原因引起破裂的。气囊破裂点内表面的共同点是破裂点的四周均有环形压痕，而内表面离气囊口距离超过8 em的地方没有类似环形压痕。结合环形压痕和膨胀罐结构，初步判断可能是在水冷系统补气时，气囊被压缩至膨胀罐进水孔．进一步压缩而导致气囊破裂。模拟水冷系统补气时的状态，气囊被空气压缩在法兰部件进水孔区域，气囊在孔口处受压后就会在内表面留下环形痕迹，随着气压的升高就会使气囊在进水孔位置出现破裂(如图6所示)另外还发现有些已破裂的膨胀罐气囊体积异常变大，破裂处呈现六角形，与膨胀罐底部的气路接头组件螺母的形状相似。判断为系统补液过多且排气电磁阀排气，导致气囊储液过多，胀满整个膨胀罐内腔，气囊在膨胀罐内部与气路接头组件螺母接触挤压，导致压损破裂。对已破裂气囊进行检查分析，判断气囊破裂原因为：1)膨胀罐气囊由于承受异常高压而发生破裂。2)水冷操作维护人员没有按规范进行水冷装置的补水、补气操作及日常维护，间接导致气囊破裂。

3.电控逻辑分析。（1）空气压缩泵控制逻辑开，出阀压力降至50 kPa；关，出阀压力升至70kPa。发现问题：可能会出现出阀压力偏低的现象。（2）进阀压力低、超低告警进阀压力低告警：进阀压力<30kPa；进阀压力超低告警：进阀压力<10kPa。发现问题：定值不合理，不能有效保护水冷设备及组件，可能会导致电加热器因缺水运行而干烧损坏。（3）出水阀压力超低告警出阀压力超低告警：出阀压力<1 kPa。发现问题：定值太小，不能正确动作，导致该告警和保护功能失效。（4）电控平台操作页面。发现问题：发电机组电控平台的水冷系统调试维护页面里没有空气压缩泵、排气电磁阀的手动操作按键；维护人员调试时，气压低时无法进行手动补气，气压高时无法进行手动排气。

总之，更新设备使用手册、加强对维护人员的培训、通过技术改造优化水冷系统电控程序功能、更换存在安全隐患的设备组件，是降低水冷系统故障率、保障水冷系统稳定运行的必要措施。加强操作人员的培训及日常巡检，建议通过技术改造优化设备组件，消除安全隐患，如采用带防护垫膨胀罐的进水法兰部件、对膨胀罐气路接头组件螺母边角进行倒圆角处理等。

参考文献：

[1]元彦龙．风力发电冷却技术．2019．

[2]刘希良．风力发电机变流器故障的分析与改进.2018.