风力发电厂风机的检修维护探讨研究

风力发电厂风机的检修维护探讨研究

李洪磊

中核集团中核汇能有限公司山东分公司潍坊风电场 山东潍坊 262737

【摘要】：风能是环保社会下非常推崇进行合理利用的一种新型能源，各国对其研究一直不断，而我国随着对其开发利用程度不断加深，在很多条件适宜的地方也兴建了很多风力发电厂，但是风机组成较为复杂，系统中各大小零部件出现故障的可能性较大，会造成经济上的损失和安全问题，为了保障发电过程的安全性和经济效益，需要监测风机的运行状态，采集风机运行时的各类数据，并通过对故障信号分析风机中各部件、电气系统和设备可能存在的问题，从而提升风机检修和维护质量，降低风机故障发生频率，确保风机能安全、高效发挥作用，使电厂符合国家标准，促进风力发电事业发展。

Study on the Maintenance and Repair of Wind Turbines in Wind Farm

Li Honglei

Weifang Wind Farm, Shandong Branch of China Nuclear Co., Ltd., China National Nuclear Corporation, Weifang, Shandong 262737

abstract: Wind Energy is a new type of energy which is highly recommended for rational use in an environment-friendly society. It has been constantly studied in various countries. With the development and utilization degree increasing ceaselessly, many wind farm have been built in suitable places in our country. However, the fan composition is complex and the components in the system is likely to fail, resulting in economic losses and safety problems. In order to ensure the safety and economic benefit of the power generation process, it is necessary to monitor the running state of the fans and collect various data of the fans when they are running. Through analyzing the fault signals of the fan components, electrical systems and equipment, improve the repair and maintenance quality of the fan, reduce the frequency of fan failures, and ensure that the fan can play its role safely and efficiently, to bring power plants into line with national standards and to promote the development of wind power generation.

【关键词】：风力；发电厂；风机；检修；维护

引言

风力发电由于各装置安装组合方便，风力作为自然可再生资源没有成本，因此具有成本相对较低、易于实现、建设周期短、绿色环保等诸多优势，而且我国不少地区地广人稀，位于高处，风能资源充足，因此风力发电在我国的市场空间非常广阔。为了稳步推广风力发电项目，需要提高质量和安全保障，采取一系列科学的监测和维护技术手段对风电机组的叶片、轴承、变压器、线路等机械和电气装置，以及发电过程中的风速、风向、电网频率、电压和电流、各处的温度等进行监控，并以此作为参考依据制定合理的检修和维护计划，及时排除故障，调整风机系统整体运行状态，延长系统运行寿命，保证风力发电厂可以良好运作，并从该项目中获得较高的收益回报。

1.风力发电厂风机的简要介绍

1.1风机发电原理

一般三级风就具备利用价值，风力发电就是在各种机械装置、电力系统的作用下实现对无形风的实物化利用，使叶片旋转并提速至可发电的水平，产生足够的机械能，然后根据能量守恒定律，将风能进行转换，成为可用的电能。这种风力发电方式的主要部件为风机，其中的风轮、叶片、发电机等装置互相配合（见下图1），当风吹向浆叶时，风力足够时会驱动风轮转动，但此时的风轮速度还远远不够，而且由于风是变化不定的，只有大于4m/s的风速才具有发电的价值，因此为了使风轮保持在发电时的稳定转速，需要利用增速机、调速机构等使风轮达到恒定转速，然后带动发电机，使机械能转变为电能，整个发电和输电过程不需要使用燃料，非常环保，且风力越大，越是持续，发电越稳定，发电厂的经济效益越高，风力发电项目将越被认可和推广。

图1 风力发电机组组成示意图

1.2风力发电厂风机种类

1.2.1水平轴风力发电机

风轮的旋转轴与风向平行，风轮在塔架的前面迎风旋转，作为阻力型风力发电机，旋转速度慢，且必须由某种调向装置来保持风轮总是迎风向，而当风轮在塔架后面顺风旋转时为升力型风力发电机，不需要调向装置，但是塔架会干扰流向叶片的空气流，使风力机性能降低。一般风力发电厂多采用升力型水平轴风力发电机，小型风机会加装尾舵，大型则利用风向传感器等智能管控装置来保证其随风向改变而转动，并视风力机的用途、当地风力条件和发电厂的规模和能力决定风轮叶片数目。

1.2.2垂直轴风力发电机

风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向，可以接收来自各个方向的风，因此即便风向随意变化也不需要跟随变动去对风，这点是其与水平轴风力发电机的一大区别，且由于精简了装置，齿轮箱和发电机可以安装在地面上,安装和后续检修等都非常方便。这类风力机有两种类型，一种利用空气动力学的阻力做功，如S型风车、形风轮，但提供的功率输出低，一种利用翼型的升力做功。

2.风力发电厂风机的检修维护内容

2.1风力发电厂风机的机械故障

2.1.1风轮系统故障

风轮系统中的叶片在风力的作用下运转周期较长，且易受外界风雪、雷暴环境影响，长期下来叶片附着物会不断增多，承载性能也会逐步下降，叶片表面平整度降低，会出现裂缝或变形问题，与叶片的连接部位也会松动，雨水、颗粒杂质等会渗入叶片及风轮系统其他装置内部，进而导致导致叶片失衡、转动不正常，风能转换成机械能的效率随之降低。而轮毂部分故障则主要是由于过度磨损等造成的机械故障。

2.1.2主传动链系统故障

主传动链系统中的齿轮箱是其关键部件，轴承和齿轮也是重要的零部件，整体可起到将提升主轴转速、连接主轴和发电机的目的，而整个系统的运行负荷较大，传递功率大，且风电机组运行过程中，工作条件恶劣、工况复杂，受交变应力、冲击载荷等作用的影响，轴承和齿轮部分很容易因为疲劳而出现各种问题，以轴承来说，疲劳剥落和磨损问题最为常见，还有断裂、滚道滑伤、外圈跑圈等故障，无论发生在高速轴侧轴承还是中间轴轴承，都会对齿轮箱会造成非常大的影响。而对于齿轮，容易出现磨损、点蚀、表面疲劳、断齿、破损等问题。

2.1.3变桨、偏航等系统故障

变桨系统可通过特殊的程序控制控制叶片的角度来保持叶轮勾速运转，还可作为风机的一级刹车系统，保证故障出现时主轴的安全性。由于变桨轴承承受的扭矩较大，会因为润滑不良而磨损，也会因为强度不够、叶片交变载荷而疲劳剥落，而轴承出现问题又会导致减速器轴承失效，伺服电机过热、振动过大等问题。

偏航系统可以调整风轮，使风力发电机组跟踪风向，从而可以充分利用电能，提高发电效益，因此是水平轴式风电机组必不可少的装置，同时可提供必要的锁紧力矩，避免因跟踪风向时电缆缠绕，保障机组的安全运行。常见的结构形式主要由驱动电机、减速器和偏航齿圈组成，因此运行过程中很容易出现以下几种故障（见下表1），需要检修维护特别注意。

制动系统分为空气动力制动和机械制动两部分，主要是用于防止转子叶片旋转过快，同时在机组发生非正常情况时立即停机、安全制动。一般风力发电厂在制动时会先采用空气制动刹车，利用空气阻力使风轮减速或停止，若无法停止再利用盘式制动器来机械制动，使风轮彻底停止转动。由于经受较大的摩擦和瞬间的冲击荷载，制动系统也较容易发生故障，如轴承磨损，液压系统异常振动和噪声等。

2.2风力发电厂风机的电气故障

2.2.1变流器和变压器

电气系统是风电机组中故障发生率最高的子系统，其中电力电子变换器故障主要包括半导体器件故障、PCB板故障、电容器故障等，是电气系统故障类型中相对造成停机时长最长的一种，主要是由于湿度、温度等环境因素引起。而变压器主要会发生短路或接地故障，从而导致较大的电流集中使变压器内部结构发生变形或者被烧坏，此外变压器的外接侧线多架设在外部，易受恶劣环境影响，特别是当接地电阻不满足要求，雷电天气时会频繁跳闸，严重影响到变压器的正常运行，当电压异常升高时，变压器也会因为过压使内部的绝缘功能受损。

2.2.2发电机

发电机是将旋转机械能转化为电能的装置，存在于风力发电机组的偏航、变桨等系统中，主要分为异步发电机和同步发电机两种，以目前广为使用的双馈发电机和永磁同步发电机为例，由于转速较高，运转声响较大，发电机容易出现转子故障和轴承故障等机械故障，同时由于发电机结构复杂，长期运行于电磁环境中，也容易出现转子绕组故障和定子绕组电气故障，具体可见下表2。

表2 发电机故障及原因

故障模式		故障原因
发电机振动		机组轴线没对准、联轴器不对中、轴承状态不良、机组振动过大、旋转部分松动
绕组过热		电机过载、发电机散热不良、线圈匝间短路、轴承故障、冷却空气流量太少
轴承故障	轴承过热	发电机散热不好、温度传感器失效、润滑过度
	疲劳损伤	润滑不良、交变荷载作用、异物侵入
	损坏	瞬间冲击荷载过大、疲劳损伤累加作用
	配合间隙过大	安装不合理、材料缺陷、齿轮箱减振装置欠佳

2.2.3控制系统和传感器

控制系统在偏航、桨距调节、电缆解绕、保护等方面发挥着重要的作用，其硬件和软件也容易出现故障，如控制板电路故障、伺服机构故障，系统卡机、不受控制等问题等。而传感器是非常重要的一个装置，可以监测、接收风速、温度、振动、声音、方向等运行参数和异常信息，且不仅可以采集各类信息，还会传送至控制端，由计算机处理系统和管控人员对这些信号进行分析、运算等处理后，整理出监测报告作为控制器和执行机构做出操作的依据，从而保护风电机组的各个子系统，使风电机组可用安全高效发挥作用。但由于工作环境严峻，传感器的灵敏度较高，传感器本身和传感器相关系统容易受到影响出现故障，降低传递数据的可靠性。据有关人员统计，风力发电机的常见故障类型及分布情况可参见下图2。

图2 风力发电机组的故障分布示意图

3.风力发电厂风机的检修维护依据

3.1振动信号

综上故障问题描述可以看出，不少设备不仅会出现振动故障，也会因为其他设备异常振动造成自身出现故障，因此可以在风机齿轮箱、发电机、主轴、叶片、塔架等位置布置振动传感器和数据采集设备，从而可以持续、实时监测系统的异常振动。经有关学者研究，提出了对齿轮故障振动的实时检测、定位和识别，利用小波神经网络的方法成功地诊断了齿轮箱故障，对轴承故障和正常状态分类识别、判断故障，对低速轴承的特征提取以实现轴承状态监测等方法，在现实中具有一定的利用价值，但是振动信号故障分析对传感器的依赖性太大，在实际检修维护过程中需要考虑监测设备成本费用以及设备的可靠性，同时振动信号具有较低的信噪比，不能够有效全面地排查潜在性故障。

3.2声发射信号

材料遭受压力或应力时发射声波的现象称为声发射，由于频率较高，这种信号相比于振动信号信噪比较高，能够提前有效地发现隐性故障，及时诊诊断出风机各子系统、各装置可能存在的问题，从而提高故障防控效果，降低检修维护难度和任务量。如应用于风机叶片状态监测，当叶片受力产生裂纹或发生变形时，AE传感器会采集到一种时变的、非平稳的、瞬态的高频信号，据此检修和维护技术人员可以分析、评估叶片的受损情况，同时叶片受损后会不均衡转动，并通过主轴传递到机舱，因此也可以采集主轴上的声信号分析叶片转动不平衡等故障。此外还可以使用高频AE检测轴承早期表面疲劳裂缝、风机低速轴的故障等。但这种方法需要大量的AE传感器，还需要与之一一对应的信号采集系统，因此操作不易，成本不低，实际应用率较低。

3.3应变传感信号

光纤应变传感信号的灵敏度较高，且在信号传输过程中无损，仅需采集少量的样本数据就可以分析所监测结构的微小变化，因此在风力发电厂故障监测排除中的应用价值较高，用于叶片的状态监测时，不仅可以监测叶片内部结构损伤，还可以监测叶片在风雪风天气下的异常状况，例如叶片覆冰时，可通过检测风机叶片的负荷弯曲度来分析叶片当下的性能，评估其是否可继续使用，预测其未来寿命。

3.4温度信号

风机中的发电机、轴承等在运行过程中由于不断摩擦、转动、电流等原因会逐渐升温，正常情况下很多装置可以维持安全的温度范围内，不会超出一定的阈值，但是当某部分出现故障时，无论是机械还是电气原因，都会导致相关联的部件出现过热现象，严重时会烧毁电机、变压器等装置，引发火灾事故，因此可在齿轮箱、发电机、轴承和功率变换器等处布置温度传感器，监测异常温度判断风机是否健康，例如检测轴承温度来分析齿轮箱故障。但是由于传动装置退化、发电机线圈短路、转子超速等多重原因都可能造成温度过高，因此有时温度信号监测法不一定能够准确确定故障位置和原因，还需要结合其他手段进一步判定才能实现对风机故障的可靠性诊断。

3.5润滑油液信号

轴承、齿轮因为润滑不良很容易造成变桨系统、发电机等出现故障，为了准确判断故障、预防故障，可以通过监测风机的旋转子系统和组件的润滑油液信号来实现对风机状态的监测。目前都是通过采集润滑油样本来试验得出相关的参数，根据润滑油的粘性、含水量、粒度、温度等判断此处是否正常，如分析润滑油液粒子包含度预测风机齿轮箱未来寿命，分析风机齿轮油液球形轴承的摩擦转矩来监测对风机齿轮状态。

3.6电信号

即各类电气设备和线路上的电压电流，通过这类信号监测可以判断风力发电机组的电气故障，以及某些因为机械故障而产生电信号的故障类型，且由于诊断不需要外加传感器，因此基于电信号的故障诊断应用范围较为广泛，是大型风力

发电机组的检修维护人员非常关注且一直在深入研究的方向之一。目前提出了利用定子电流的特征对双馈风电机组的叶轮不平衡故障进行诊断，利用电流辅助的振动阶次跟踪方法或发电机非稳态定子电流测量对直驱风机在各种风速情况下的机械故障进行诊断等方法。

3.7SCADA信号

目前SCADA系统已经在国内外很多的风力发电厂的风机上都有应用，作为一种典型的统计特征信号，可以全面收集来自传感器和其他设备上的各类数据，按照时间间隔收集温度、风力、电信号等方面的数据，因此SCADA系统中的数据十分庞大，合理对其加以利用，可以利用有效的数据实现对风机的状态监测、故障预测、故障诊断和健康管理。（下表3为对以上风机故障信号的小结）

表3 风机检修维护时常监测的信号类型介绍

4.风力发电厂风机的检修维护方法

4.1检修和维护工作开展模式

由于风力发电厂风机整体较为复杂，不可能在其运行过程中始终保持全面及时地了解各设备及关键部件运行状况，处理各类故障，为了简化检修和维护工作，减少在此方面的人员和财力投入，更重要的是提高检修维护成效，目前主要采取计划维修和事后维修的方式，通过风力发电机组状态监测和故障诊断系统对风力发电机组各关键部件进行实时监测，并对监测结果进行分析，根据监测到的各类信号和异常情况与对应部件和故障类型间的关系指导风力发电机组的检修维护工作，制定必要的、合理的防控和应急处理方案，安排相应的维护检修计划以降低故障发生率，使风机风力发电机组持续性正常运转。

4.2常见故障的检修维护措施举例

4.2.1机械故障检修维护

机械故障的类型较多，且很多是由于工作环境和长期运行磨损导致，因此检修维护人员要做好监测工作，定期对各装置、各系统进行检查，并掌握运行和监测日志，对各项记录进行整理分析，对液压系统、润滑油、叶片、偏航系统等机械部件进行日常技术维护，并根据计算机监测的数据和自己收集的信息预测风电场安全运行中可能出现的问题，及时排除和解决故障。以振动故障为例，先分析振动故障产生的原因，1）若是由于叶轮磨损或受腐蚀程度不一，主轴升温形变，叶轮平衡性失调、叶轮强度等原因导致的转子质量不平衡引起振动，首先检查风机各个部件安装是否正常，各自的外观和性能是否受损，对于出现的机械松动对螺栓进行扳紧，若轴承之间的间隙不合理也要及时调整，之后再次启动风机，检测振动，若再次确认为质量不平衡问题，需要加大转子叶片的质量来降低振幅，使之恢复正常；2）若是因为轴承问题引起的振动故障，例如轴承刚度不够，滚动轴承的安装、零件加工不良等，可以更换对应的轴承、紧固螺母螺栓调整滚动轴承安装位置使之轴承内圈与轴心线重合。

4.2.2电气故障检修维护

首先要完善实时监测系统和管控系统，保证设备的运行状态得到实时监测，并能够将采集到的各项数据上传到管理端，以优化电气设备检修维护计划，保证系统检修更加精准，从而全面排除风电机组运行隐患。其次要严格落实电气设备检修与检验制度，做好对电气设备的日常检修维护工作，对潜在隐患和出现的问题及时合理的进行维修处理，确保电气设备的正常运行，如对电气设备及线路进行验电，检测处于停电状态下的电气设备及线路是否依然存在电压，对传感器和电路进行测试，维护电缆外观和发电机出口，拧紧电缆端，在电气设备上装设接地线，防止断电检修时因突然来电或残余静电感应电压而造成触电事故。以跳闸故障为例，对于线路跳闸，要从故障出现点一直检查到线路出口，若线路无问题要依次检查跳闸开关、消弧线圈、弹簧机构或液压系统的压力，按照检查结果针对性处理，确保保护信号复归后进行强送，若是主变三侧开关跳闸，应检查保护信号和一次设备，若是主变低压侧开关跳闸，则要对一次设备和二次侧进行检查，根据具体故障原因和位置进行处理。

结语

总之，风力发电是可以有效缓解能源危机，造福于人类和生态环境的重要方式，但是风机组成复杂，各系统和各分级装置在运行过程中很容易出现各种问题，为了提高风机的运行时限和系统的可靠性，检修和维护人员不仅要加强日常检测，还要对利用传感器和设备自身的运行记录来进行实时监测，根据异于正常运行情况的信号反馈来分析故障位置和原因，制定最科学合理的检修和维护方案，及时排除机械和电气故障，让风机能够高效工作，从而提高电力生产力，为社会各行业和民众输送大量稳定的电能，

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