风力发电机绝缘失效原因和改善方法

风力发电机绝缘失效原因和改善方法

黄旭洋 薛家琪 高建泰 刘溢泉 臧凌山

西安中车永电捷力风能有限公司 陕西西安市 710016

摘要：当前，煤炭行业与石油行业等一次能源危机形势越来越激烈，对于全球很多电能要求和电力市场竞争背景下较高的技术成本与价格竞争力，导致全球范围中的风电装机容量不断提升。然而因为风力发电机往往在独特环境中运转，因为盐雾、潮湿及较大温差等因素对风力发电机产生不良影响，提升了发电机绝缘系统故障的发生率。所以，本文在研究过程中分析了风力发电机的运转环境，然后探讨了风力发电机绝缘失效的改善方法。

关键词：改善方法；风力发电机；绝缘失效

一、风力发电机绝缘失效原因分析

（一）高频脉冲的影响

通过将高速永磁或者是直驱永磁技术的发电机定子、双馈发电机的转子和交流器进行连接，绕组匝间绝缘、对地绝缘都承担非常严格的电应力。有些专家学者在研究过程中将永磁直驱风力发电机作为案例，该风力发电机的额定电压是690伏，使用波形测量定子侧存在的脉冲尖峰电压。根据测试结果可以得知，在定子线圈上的脉冲电压变化率du/dt高于l kV/μs上发挥作用，重复频率大约是2kHz，脉冲尖峰电压峰值为1.5kV，远远超过690伏的额定电压。

将其和正弦电压进行对比，变频器输出的脉冲方波从绕组绝缘上出现的电应力主要存在以下两点差异：首先，脉冲电压在线圈上不能平均分布，特别是当前许多机组使用变流器放在塔底进行设计，在一定程度上延长的机测电缆的长度，绕组首末匝线圈还会承受高于80%的过电压幅值，是平均匝间电压的10倍；其次，电压幅值、极性和形状等之间同样存在很大的不同，高频脉冲方波极易导致绝缘内部出现局部放电，导致介质损耗发热、臭氧氧化效应及空间电荷，如图1所示，加快聚合物材料的老化与分解，从而致使绝缘太早失效击穿。

图
1高分子绝缘材料电晕放电老化过程

（二）潮湿因素

风力发电机在室外环境中正常运转时会受到天气因素产生的不良影响，假如风力发电机自身不具有防潮能力，在阴雨天气中极易导致绕组受潮，乃至出现被雨水淋湿的情况，同时还会出现绝缘工艺处理不合理与电机设计不恰当等情况，导致绝缘快速分解与老化，使结构之间的缝隙更大，出现分层或者是微孔等问题，在这种环境中，潮湿空气会伴随着扩散等作用进入绕组当中，不能使电机的运行安全性得到有效保障。我国某个专家学者在研究过程中将大型永磁直驱风力发电机作为案例进行调查探究，通过对研究结果进行分析可以看出，这种发电机内部结构中出现很多的定子线圈，同时节距非常小，并且连线、嵌线及并头的空间非常小，不能进行相应操作。因为定子的体积非常大，提升了运行难度，增加了VPI滴漆时间，同时还会使该定子绝缘处理工作量更多，不能使其一致性得到保障，使产品的批量制造质量难以控制，对于风力发电机的长时间运转产生不良影响。

（三）盐雾的影响

我国拥有非常广阔的海洋面积，丰厚的风能资源，所以离岸型风力发电机是风电行业未来的主要发展方向。但是海上的盐雾、高湿等自然条件产生的影响，在一定程度上使离岸型风力发电机绝缘系统的设计难度更高。根据相关数据显示可以得知，我国黄海、渤海、南海及东海几个海域月平均湿度控制在65.9％RH~88.2％RH之间，然而我国东海沿海的盐雾平均每天的沉降率高达8.2~33.1 mg/（m²·d）。因为盐雾与湿度产生的不良影响，绝缘材料长期裸露在海洋大气中，其使用性能会逐渐降低。

（四）温度交变因素

由于风资源具有较差的平稳性，鉴于这种情况，风机运转过程中需要不停的启停，再加上昼夜温差非常大，导致温度突然出现改变，受到机械应力产生的作用，还会使电机绝缘系统的总体性大大下降。对于当前大型化的风电机组，因为电机轴向的长度非常长，就会出现金属与绝缘材料热膨胀系数出现不相符的情况，在一定程度上提升热机械应力作用，使绕组绝缘树脂的黏结力大大降低，存在各种机械损害问题，如：绕组变形、绝缘层间分层等，使绝缘材料快速老化与分解。

二、风力发电机绝缘失效的改善方法

（一）严格控制材料的质量

目前，综合考量风力发电机广泛使用变频器供电，在设计过程中需要增强匝间绝缘材料的耐电晕性能。使用成型绕组的兆瓦级风力发电机匝间绝缘往往将云母带绕包或者是耐电晕薄膜烧结作为两种主要的设计方式。因为其具有起晕电压高、材料便宜及耐电晕时间长等优势，云母绕包设计得到广泛应用，尤其是在风力发电机对匝间绝缘剪薄要求较低的领域。另外一方面，选择的VPI树脂体系从某种程度上决定这发电机绝缘性能。当前，环氧树脂、聚酯亚胺及环氧改性不饱和聚酯是风电制造行业使用非常多的三种主要VPI树脂体系，经过对比三种VPI树脂体系得知，环氧改性不饱和聚酯的性能能够避免环氧树脂耐热低，同时其机械性能与粘接强度优于聚酯亚胺，在风力发电行业中具有较高的应用价值。

（二）完善工艺

经过深入分析永磁直驱发电机结构设计与工艺方案，指出了部分提升绝缘整体性与密封性的工艺完善策略，主要包含：一是强化线圈引线头绝缘；二是完善焊接位置绝缘包扎方法；三是引线根部和线圈鼻端需要加垫绝缘；四是优化嵌线翻槽工艺；五是接头与台阶焊接位置进行填充；六是完善工艺并节省焊接时间；七是线圈端部和端环位置需要补充绝缘漆等。另外，通过对VPI工艺的必要性进行综合考量，使用二次浸漆，经过将滴漆时间、真空/压力参数及悬烘转速等参数的有机整合，在一定程度上提升了VPI工艺的科学性与合理性。

（三）加强对质量的管控

因为VPI浸漆制作期间极易存在问题，在一定程度上提升绝缘故障的发生率，所以在这个制造过程中，需要科学合理的使用浸水或者是淋水试验进行验收，换言之，使用非离子型浸润剂能够连续两小时对定子展开浸水试验，通过测量样品的一分钟绝缘电阻，需要保证以上电阻超过50ＭΩ和500ＭΩ。

结论

风力资源的不平稳性和风电桩基运转环境不良等因素，导致风力发电机在室外运转过程中经常受到各方面因素产生的影响，如：温度变化、脉冲电压、盐雾等，从而出现绝缘系统失效的问题。鉴于这种情况，此篇文章在研究过程中通过严格管控材料质量、完善工艺及加强对质量的管控等策略，规避与防范风力发电机绝缘失效问题，从而可以使风力发电机在户外环境中得到稳定可靠的运转。

参考文献

[1]沈坤.浅谈风力发电机主轴轴承失效分析及解决办法[J].科技风,2019,000(004):171.

[2]何玉强.风力发电机主轴轴承失效分析[J].南方农机,2019,050(008):120-121.

[3]李慧萍,张景萍,段成斌.浅析风力发电机轴对地绝缘电阻低的原因与对策[J].电子世界,2018(9):104-104.

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