風(fēng)力發(fā)電機變流器故障的分析與改進

□ 王麗敏

上海之恒新能源有限公司 上海 200241

1 研究背景

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模不斷發(fā)展壯大，風(fēng)力發(fā)電市場不斷細分，低風(fēng)速帶不斷開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電同價、平價上網(wǎng)，集中式與分布式風(fēng)力發(fā)電并存，市場競爭日益激烈，由此，風(fēng)力發(fā)電機組全生命周期的可靠性需要重點關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機組可利用率考核結(jié)果是業(yè)主的重要指導(dǎo)，高故障率風(fēng)力發(fā)電機組會帶來后期高昂的維護費用和巨大的發(fā)電量損失，低可靠性的風(fēng)力發(fā)電機組則將被市場所淘汰。作為風(fēng)力發(fā)電機組核心關(guān)鍵部件之一的變流器，不僅控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，而且對風(fēng)力發(fā)電機組電網(wǎng)的接入性能起決定性作用。變流器主要由功率模塊、電抗器、電路板等電力電子器件組成，產(chǎn)品可靠性要求高。筆者對風(fēng)力發(fā)電機變流器的故障現(xiàn)狀進行分析，采用故障樹方法提出改進方案，以供技術(shù)人員參考。

2 故障現(xiàn)狀

不同的供應(yīng)商，其變流器產(chǎn)品的故障模式差異較大，因此考慮從裝機占比、故障占比等方面確定需要改進的供應(yīng)商對象。截至2017年12月31日，2 MW變流器裝機情況如圖1所示。其中，供應(yīng)商1的占比約為45%，供應(yīng)商2的占比約為28%，供應(yīng)商3的占比約為27%。

對故障較多的供應(yīng)商1和供應(yīng)商3變流器產(chǎn)品故2017年12月25日至2018年6月4日，筆者公司供應(yīng)商1變流器故障數(shù)量總計為267次，故障數(shù)量較多的故障模式見表1。

對變流器部件故障情況進行分析，風(fēng)扇損壞占比較高，包括側(cè)門風(fēng)扇、離心風(fēng)扇、循環(huán)風(fēng)扇。統(tǒng)計2018年3月至6月12個風(fēng)電場的數(shù)據(jù)，總計116臺風(fēng)扇損壞。從分布情況看，風(fēng)電場3風(fēng)扇損壞數(shù)量較多。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計看，風(fēng)電場3同時有三種風(fēng)扇發(fā)生損壞，并且損壞占比較高。因此，選取風(fēng)電場3作為需要進行改進的風(fēng)電場對象，改進目標(biāo)為從2018年7月起的1 a內(nèi)，風(fēng)電場3內(nèi)2 MW變流器風(fēng)扇損壞月平均故障率下降50%。

表1 供應(yīng)商1變流器故障統(tǒng)計

3 拆解檢查

針對變流器風(fēng)扇損壞故障，將故障風(fēng)扇按通電是否轉(zhuǎn)動、軸承轉(zhuǎn)動情況、繞組阻值進行分類，選取代表性樣品進行拆解，查找故障原因。

觀察從風(fēng)電場3現(xiàn)場返回的變流器故障風(fēng)扇R2E225，發(fā)現(xiàn)外觀著灰現(xiàn)象明顯，如圖2所示。

變流器故障風(fēng)扇通電不轉(zhuǎn)，葉輪可撥動，L相與N相之間電壓為50 Ω，L相與Z相之間電壓為70 Ω，P相與L相及P相與N相之間電壓為40.7 MΩ，屬于斷路。變流器故障風(fēng)扇定子鐵心附著灰塵，軸承端蓋內(nèi)有黑色粉末和灰塵，軸承室內(nèi)基本無灰。定子側(cè)軸承保持架損壞，油脂全干。轉(zhuǎn)子側(cè)軸承保持架輕微變形，油脂有損耗，并結(jié)為黑色塊狀。線圈無明顯異常。

通過拆解發(fā)現(xiàn)，損壞主要來自于軸承部位。定子側(cè)軸承損壞相對嚴重，保持架變形斷裂，滾珠局部錯位，軸承發(fā)生徑向竄動。轉(zhuǎn)子側(cè)軸承保持架輕微變形，滾珠位置及軸承機械尺寸未發(fā)生變化，軸承損壞程度較輕。定子軸承內(nèi)油脂完全干涸。定子軸承端蓋外產(chǎn)生較多黑色粉末，轉(zhuǎn)子軸承靠近定子軸承側(cè)端蓋有黑色粉末。轉(zhuǎn)子軸承內(nèi)雖有部分油脂，但已成凝結(jié)狀，并已發(fā)黑。分析判斷油脂在高溫狀態(tài)下稀釋、揮發(fā)、固化、碳化產(chǎn)生黑色粉末，主要產(chǎn)生于定子軸承端蓋，并通過軸承室擴散至轉(zhuǎn)子軸承端蓋。定子軸承油脂過度消耗與灰塵有關(guān)，觀察發(fā)現(xiàn)定子軸承相比轉(zhuǎn)子軸承更易進灰。

風(fēng)扇處于熱風(fēng)端，軸承與繞組的基礎(chǔ)環(huán)境溫度較高，如濾網(wǎng)堵塞嚴重，則流經(jīng)風(fēng)扇電機的風(fēng)量減小，繞組會出現(xiàn)較高的工作溫度。另一方面，隨著軸承油脂的消耗，摩擦增大，電機負載增大，也會使電機繞組溫度過高，出現(xiàn)長期過熱現(xiàn)象。

4 故障樹分析

確定頂事件為風(fēng)機損壞。故障樹分析中，外邊界決定了分析的廣度，內(nèi)邊界決定了分析的深度。通過對風(fēng)扇損壞故障機理進行深入分析，明確各影響因素間的關(guān)系，完成故障樹。

對于軸承不轉(zhuǎn)，主要有幾方面原因：軸承油脂在高溫環(huán)境揮發(fā)及粉塵影響引起摩擦因數(shù)增大，導(dǎo)致摩擦力增大；葉輪動平衡破壞引起軸承受力變形,運行異常，進而造成壓力增大，導(dǎo)致摩擦力增大。對于葉輪卡滯，主要由異物進入風(fēng)機或葉輪引起。在縱向展開的基礎(chǔ)上梳理故障樹各事件之間的邏輯，構(gòu)建完成變流器風(fēng)扇損壞故障樹，如圖3所示。

通過簡化故障樹、建立故障樹數(shù)學(xué)模型和求最小割集的方法，進行故障樹的定性分析。通過計算頂事件概率、重要度分析和靈敏度分析，進行故障樹的定量分析。在分析的基礎(chǔ)上識別設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)措施。

基于故障樹，分析風(fēng)扇損壞故障的最小割集。列出最小割集中的底事件，優(yōu)先挑選出單點事件及重復(fù)事件作為重要底事件，見表2。

表2 最小割集重要底事件

5 改進方案

根據(jù)各底事件在最小割集中出現(xiàn)的頻次及事件階數(shù)等指標(biāo)，對重要底事件進行評分，進而制訂相應(yīng)的改進方案，見表3。

表3 改進方案

根據(jù)改進方案形成變流器風(fēng)扇安裝指導(dǎo)書，明確先將風(fēng)機用M4×8不銹鋼組合螺栓安裝至軸流風(fēng)機外殼上，安裝完成后再將軸流風(fēng)機外殼安裝至側(cè)門板上。進行變流器通信板合格性檢測，輸出文件為廠家提供的合格報告及本公司的驗收報告。在實驗室對變流器與主控通信進行測試，輸出文件為變流器與主控通信測試指導(dǎo)書。進行電纜線供應(yīng)商合格性檢測，檢測對象包括通信線和電源線，輸出文件為廠家提供的合格報告及本公司的驗收報告。在現(xiàn)場維護手冊中增加一項檢查項目，定期檢查電纜線是否出現(xiàn)松動，是否存在線頭露出等問題，輸出文件為更新版維護手冊。提高主控的抗干擾能力，增加電磁環(huán)，改進接地方式，輸出文件為改進技術(shù)說明。

6 改進效果

以風(fēng)電場3內(nèi)2 MW變流器風(fēng)扇損壞月平均故障率下降50%，運行周期為1 a進行計算，改進前平均每月更換20臺風(fēng)扇，預(yù)估改進后每年可節(jié)約因更換風(fēng)扇而造成的損失12 000元。以單次維修時間3 h、維修工時100元/h、車輛損耗費100元、油費100元、服務(wù)人員差旅費3 000元、物料郵寄費100元計，改進后每年可節(jié)約維修成本39 300元。以發(fā)電收益700元/h計，改進后每年可增加發(fā)電收益252 000元。改進后每年人工成本為36 000元，差旅成本為9 000元，則最終每年可增加收益258 300元。

7 結(jié)束語

產(chǎn)品的可靠性是業(yè)界關(guān)注的重點，提高產(chǎn)品的可靠性，可以體現(xiàn)以預(yù)防為主的質(zhì)量理念，降低產(chǎn)品總成本，縮短停機時間，并提高產(chǎn)品的可利用率。對于企業(yè)而言，提高產(chǎn)品的可靠性，可以增強企業(yè)的競爭力，并且提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。利用故障樹方法來進行產(chǎn)品質(zhì)量改進，對于企業(yè)而言具有指導(dǎo)意義，是一種值得推廣的改進模式。筆者對風(fēng)力發(fā)電機變流器風(fēng)扇損壞故障進行了故障樹分析，提出了改進方案，并取得了良好的效果。