直流變槳電機過流、溫度高典型故障分析及處理

【摘要】隨著風電機組運行年限時間越來越長，某風電場1.5MW機組能健/SSB變槳頻發(fā)變槳電機過流、變槳電機運行溫度過高，長期缺陷運行帶來變槳電機批量性損壞，嚴重影響了機組安全穩(wěn)定運行，給風電場帶來極大的備件成本壓力，本文通過對變槳電機過流、溫度高故障進行分析和研究，給出了一些處理方法和建議，為同類型機組的運行維護提供參考?！娟P鍵字】變槳電機測速發(fā)電機故障分析處理引言風電場工作環(huán)境惡劣復雜，風速和風向經常發(fā)生變化，變槳系統(tǒng)故障是風電發(fā)電機組運行中最常見又是原因最復雜、最不容易解決的故障之一，其中變槳電機是變槳系統(tǒng)的重要組成部分，也是非常關鍵的動力輸出源，能否穩(wěn)定工作直接影響風電機組發(fā)電量。隨著運行年限增加，變槳電機問題呈現“批量性”特征。本文通過對某風電場變槳電機過流、溫度高故障的分析和處理，找到了多次更換變槳電機卻未能解決機組故障的根本原因，并提出解決方案及維護方向。1.變槳電機故障背景某風電場安裝100臺某型號1.5MW機組。2019年MOOG變槳電機損壞16臺次，能健/SSB變槳電機損壞10臺次，風電場2019年解體損壞的變槳電機，解體發(fā)現變槳電機如下缺陷：內部碳粉堆積過多、軸承與端蓋絕緣擊穿內部線圈絕緣及線圈燒損，具有強烈的燒焦氣味。2019-2020年對全場變槳電機統(tǒng)一維護，變槳電機維護完成后，MOOG變槳電機2020-2021年僅損壞1臺次；能健/SSB變槳電機過流、溫度高情況極大緩解，但未得到徹底解決，僅2022年1月-2月風電場出現4臺機組變槳電機過流、溫度高停機。風電場為盡快消除故障恢復運行，檢修人員一般進行變槳電機更換，雖可以暫時解決問題，但因未明確電機故障根源，加大了維修費用和發(fā)電量損失。1.1變槳電機簡介圖1：變槳電機示意圖變槳電機在變槳控制系統(tǒng)中驅動槳葉運轉，并實時反饋位置和速度信號。具有過載能力強、易調速等特點，典型的變槳電機主要由定子繞組、電樞繞組、電樞主軸、測速發(fā)電機（MOOG變槳電機無此部件）、電磁制動器、PT100溫度傳感器、PTC熱敏電阻、冷卻風扇等組成（如圖1所示）。表1：能健變槳電機主要參數2.問題分析2.1故障邏輯、原因分析故障名稱：能健/SSB變槳電機電流過高故障；能健/SSB變槳電機溫度高故障觸發(fā)條件：當變槳電機電流大于50A，觸發(fā)變槳電機電流過高故障；當變槳電機溫度高于140℃，觸發(fā)變槳電機溫度高故障變槳電機運行數據、維修記錄、改造記錄及現場故障數據是變槳電機故障原因分析的重要信息輸入，風電場收集和整理了近2年風機故障記錄、變槳電機運行維護策略，并對維修人員進行了訪談和可能原因分析。表2：故障原因分析風電場對#4風機典型機組故障進行分析，當高風速下（8m/s以上），變槳頻繁變槳，能健/SSB變槳電機容易報出電流超限或者溫度超限，如下所示：圖2：#4風機變槳電機電流、溫度由上述可以看出，變槳電機3電流偏大時，持續(xù)運行變槳電機溫度隨之升高，若電流超過限值，報出電流超限停機，若未超出限值但是電流比正常值偏大，變槳電機熱量不斷積聚，最終高溫停機，究其根本原因變槳電機電流超過正常值引起。2019-2020年對100臺機組變槳電機統(tǒng)一維護，如下所示對變槳電機進行碳粉清理對比效果圖：上文提到采取同樣維護方式，變槳電機碳粉清理后，MOOG變槳電機效果明顯；能健/SSB變槳電機仍有部分機組報出變槳電機電流過大、溫度高，導致此種情況具體原因未找出。經對比，能健/SSB變槳電機設計有測速發(fā)電機，而MOOG變槳電機無測速發(fā)電機，分析可能由于測速發(fā)電機引起。2.2能健/SSB變槳控制原理測速發(fā)電機：測速發(fā)電機(tachogenerator)是一種檢測機械轉速的電磁裝置。它能把機械轉速變換成電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉速成正比關系。在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中通常作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件等。變槳電機驅動器通過改變電機的電樞電流改變電機轉速，并通過電機內置的測速發(fā)電機與電機之間形成一個轉速閉環(huán)控制。圖7：控制環(huán)變槳系統(tǒng)概述（SSB）對過流、溫度高的變槳電機進行拆卸，對測速發(fā)電機檢查發(fā)現，測速發(fā)電機碳刷磨損已到達更換極限，個別碳刷已經超過磨損極限。圖8：變槳電機內測速發(fā)電機碳刷根據直流電機理論，在恒定磁場中，當發(fā)電機電樞以轉速n切割磁通Φ時，電刷兩端產生的感應電動勢為在磁極磁通量Φ為常數時，電樞感應電動勢為：式中：為電動勢系數?？蛰d時，電樞電流Ia=0，直流測速發(fā)電機的輸出電壓和電樞感應電動勢相等，測速發(fā)電機的輸出電壓與電機的轉速成正比。當變槳電機運行時，由于帶負載，因為測速發(fā)電機電樞電流Ia≠0，直流測速發(fā)電機的輸出電壓：式中：?Ub為電刷接觸壓降；Ra為測速發(fā)電機電樞回路電阻。直流測速發(fā)電機在負載運行時，輸出電壓與轉速可以近似看作成正比關系。直流測速發(fā)電機與變槳電流類似，內部有碳刷與換向器，由于碳刷屬于消耗部件，長期運行將會消耗殆盡，碳刷到達磨損極限（甚至露出碳刷刷辮的銅絲）導致碳刷接觸電阻變大，碳刷與換向器接觸電壓升高，從公式可以看出測速發(fā)電機反饋電壓將會降低，測速發(fā)電機電壓信號反饋到變槳驅動器（電壓信號比實際偏低），此時驅動器輸出的勵磁電流增大，長時間運行由于電流偏高，變槳電機內部發(fā)熱，若電流超過限值報過流，若電流未超過限值（但明顯偏高），變槳電機溫度持續(xù)升高，直至高溫停機。3.針對分析結果進行驗證測速發(fā)電機碳刷過短是否與變槳電流過大、溫度高有直接原因？除去#4風機，風電場對另外2臺機組變槳電機存在缺陷的（過流、溫度高）進行驗證，主要對存在問題的變槳電機更換測速發(fā)電機碳刷，同時清理其內部碳粉。其中#12風機變槳電機2過流、溫度高，#65變槳電機3過流、溫度高，處理前后的變槳電機電流、溫度進行數據采集分析結果如下：圖9：#12風機變槳電機二電流、溫度（處理前）圖10：#12風機變槳電機二電流、溫度（處理后）圖11：#65風機變槳電機三電流、溫度（處理前）圖12：#65風機變槳電機三電流、溫度（處理后）從圖9、圖11可以看出#12風機變槳電機2電流、溫度均比另外2個變槳電機偏高，#65風機變槳電機3電流、溫度均比另外2個變槳電機偏高，對此2臺機組存在缺陷的變槳電機更換測速發(fā)電機后，此2臺機組的變槳電機電流、溫度均恢復到正常值，說明測速發(fā)電機的碳刷過短是導致變槳電機過流、溫度高的直接原因。由于風電場對測速發(fā)電機維護重視程度不夠，建議加強此方面的維護，主要內容如下：變槳電機主碳刷、測速發(fā)電機碳刷定期檢查，短于1/3必須進行更換。定期清理變槳電機內部和測速發(fā)電機碳粉(每3年清理一次即可)。4.結束語變槳電機過流、溫度高故