分析风力发电机组的发电机故障

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17分析风力发电机组的发电机故障风力发电机是现代化的重要产物，也是清洁可再生的绿色能源，给人类各方面带来了很多的便利，对于风力发电机来说，发电机是它的重要组成部件，发电机一旦出现故障,就会直接影响到风机的运行。因此，为了保证风力发电机的正常运行，必须要做好发电机的故障处理工作。文章从发电机常见故障分析思路，处理办法，检查方法及预防措施等方面进行探讨，为处理风力发电机组发电机故障提供有利参考依据。关键词：发电机分析思路故障处理方法防范措施17

117引言17

217随着技术的不断革新和国家政策的扶持，近年来国家大力发展风力发电，国内风电装机容量累计日渐趋于饱和，但是它的应用范围却越来越广泛。目前用于风力发电机组的发电机类型主要有电励磁同步发电机、双馈异步发电机、永磁直驱发电机和电励磁同步半直驱发电机等，永磁直驱发电机具有结构简单紧凑，电机效率高，运行范围宽、噪声小，发电质量高的优点，是极具发展潜力的发电机类型。但发电机因运行时间长，工作环境温度较高等原因使得发电机很容易发生故障，其常见的故障有发电机过速，发电机温度异常，发电机异响等。本文对发电机经常出现的故障原因进行分析，并提出了处理方法和防范措施，为早期发电机故障诊断提供判断依据。本文以金风1500kW直驱永磁发电机为例（如图1），从常见故障分析思路，处理办法，检查方法及预防措施等方面进行探讨，为今后风力发电机组发电机稳定运行，提供有力的帮助。图1发电机备注：发电机由转子、定子、转动轴、定子主轴和转子制动器等部件组成，包括磁钢、定子绕组、圆柱滚子、轴承内圈、主轴止定圈、后轴承保持支架、转轴止圈、滑环、滑环支架、发电机转速检测盘等零部件。1、常见故障分析思路金风的兆瓦机组在发生故障的时候可以生成故障记录文件，帮助我们来分析、判断故障。17

317第一步：通过风机监控（SCADA）系统，导出故障机组主控PLC中的故障文件—B、F文件（如图2），分别记录了故障前90秒和故障后30秒的数据，以b190928_1944_450.txt和f190928_1944_450.html及f190928_1944_450.txt的形式记录下来（注意：故障文件的名称代表机组发生故障的时刻和故障名称）。在b190928_1944_450.txt中记录了故障发生瞬间一些规定的数据变量的状态，在f190928_1944_450.html记录了故障发生的名称及故障时刻的一些变量的状态。图2机组故障时刻生成3种故障文件第二步：利用金风数据分析V3.0软件（如图3），我们可以从B文件中分析发生故障时，机组所处的状况和机组当时发生故障的一个过程；从F文件，我们可以看出故障名称和报故障时的一些运行数据；从f190928_1944_450.txt文件可以看出故障瞬间的数据变量和机组状态。第三步：根据故障文件分析结论，结合初步感官诊断故障现象和特征，弄清故障所属系统，电气设备的工作原理、控制原理和控制线路，确定故障范围，然后，准备相应的工器具及备品备件，故障处理效率会达到事半功倍效果。17

417第四步：现场处理故障时，根据经验，先排除直观、显而易见、简单常见的故障；再排除难度较高的，可以从主电路入手，依次分析各个控制回路，再分析信号电路及其余辅助回路，也可以采用互相对比法、排除法和短接法快速查找故障点。2、发电机故障分析发电机作为一个能够实现机电能量之间转换的系统，它的结构是由定子、转子和轴承等电气系统和机械系统组成，其总体结构较为简单。但发电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效，损坏。发电机的工作原理都是基于电磁理论，主要由电路（绕组）和磁路（永磁铁）两大部分组成，其故障种类繁多，原因复杂。发电机集电气与机械部件于一体，加之处于高速运转状态中，故障征兆呈多样性，既有电气故障特性，又有机械故障特性，此外还具有隐蔽性和突发性。2.1发电机转速比较故障可能原因系叶轮转速接近开关损坏或接线松动；接近开关与发电机转速检测盘的距离不合适或发电机转速检测盘变形；发电机转速测量回路接线松动或保险损坏；Overspeed、Gspeed或者Gpulse模块接线松动或模块本身损坏；测量转速信号的bechhoff模块存在问题等原因。排查方法：2.1.1参照风机故障解释手册，观察叶轮自由旋转时，Overspeed模块上的pulse_sensor_1和pulse_sensor_2是否以相同的频率闪烁，通过就地监控（jdjk），检测转速信号的3个变量（如图4），观察检测的信号，判断接近开关是否存在问题，如有，则进行处理和更换。图4发电机转速比较故障解释说明解释说明：17

517（1）在发电机的最大转速大于4.5rpm状态下（此时风机不是处于停机过程状态），如果发电机的3个转速值的之间的差的最大值，持续3.5s大于2rpm时，风机立即报此故障；（2）在发电机的最大转速大于4.5rpm状态下（此时风机不是处于停机过程状态），如果发电机的3个转速值的之间的差的最大值，持续2.0s大于3rpm时，风机立即报此故障；（3）在发电机的最大转速大于4.5rpm状态下（此时风机不是处于停机过程状态），如果发电机的3个转速值的之间的差的最大值，持续0.4s大于4.5rpm时，风机立即报此故障。2.1.2确定Gpulse回路的保险是否损坏；检查Overspeed，Gspeed和Gpulse模块接线是否松动或存在接线错误，如有，调整或者紧固接线。2.1.3锁定叶轮，检查转速接近开关和发电机转速检测盘的距离是否合适（距离±2mm，如图5）；检查接近开关屏蔽层接地是否有问题，用金属物挡在接近开关顶部，观察其是否能正常工作。图5转速接近开关和发电机转速检测盘做完上述检查后，如果仍有此故障，则用排除法与之其它机组相同（KL3404模拟量采集模块）模块调换，观察故障是否转移，确定故障点。2.2发电机紧急停机转速故障可能原因系实际风速瞬间变化幅度大引起的真实过速；参数设置错误或跳变；Overspeed模块配置跳线连接存在问题或者接线松动；Gpulse或Gspeed模块损坏等原因。17

617排查方法：2.2.1通过风机中央监控，查看风机故障时刻前后风速，是否为机组真实过速，如有，则远程复位或CE重启。2.2.2检查参数设置，包括初始化文件和面板给定数值的设置，确保参数配置正确。2.2.3根据图纸及软件配置，检查Overspeed的跳线配置是否正确，应短接Overspeed模块的5、6、9端子且接线无松动。2.2.4运用替换的方法，将新备件与之疑似有问题的Gpulse或Gspeed进行替换，确定故障点。2.3变桨外部安全链故障可能原因系安全继电器损坏；安全链回路接线松动或错误；滑环损坏等原因。排查方法：2.3.1直观检查安全继电器122K4电源指示灯是否正常，如果安全继电器电源指示灯不亮，对照图纸用万用表测量端子A1和A2是否有24VDC电压，如无，则直接更换安全继电器。2.3.2检查安全链回路的接线，安全链回路的各个触点是否闭合，包括：塔底主控制柜紧急停机按钮、机舱控制柜紧急停机按钮、发电机过速模块1和2、扭缆开关、振动开关、PLC过速信号和来自变桨系统安全链的信号。2.3.3如果以上检查都正常，则检查滑环。滑环连接来自变桨系统安全链的信号，所以需要检查滑环接头（哈丁头）及支架是否松动，线路是否破损接地，滑环内部滑轨是否积尘（如图6.1），滑环内部指针是否跳针或断裂（如图6.2）等情况导致信号传输不畅。图6.1滑环内部滑轨有积尘17

717图6.2滑环内部指针断裂2.4发电机过温可能原因系温度传感器PT100损坏或线路虚接；温度测量模块KL3204损坏；发电机绝缘降低等原因。排查方法：2.4.1先通过故障文件分析，排查发电机是真实过温（如图7）还是数据跳变报出的故障，再与临近机组对比发电机温度，然后检查温度高的那个绕组的PT100是否正常，如果正常，电阻应该是110欧左右。图7发电机温度超限故障解释说明解释说明：发电机温度传感器是利用导电铂（pt）的电阻值随温度的变化而变化来测量温度的，这种温度传感器可以检测-200℃到+500℃的范围，且具有良好的线性关系。根据系统设置，风机监测到的6个发电机绕组的最高温度大于120℃，或最低温度值低于-50℃，持续4s，风机立即报此故障。2.4.2如果PT100正常，替换温度测量模块KL3204，如故障任未消除，则为发电机真实过温，检查发电机出线是否有发黑迹象并联系厂家进行检查确认。2.5发电机过速模块故障17

817可能原因系风速过大，软件过速未动作，硬件保护先动作；Overspeed模块或者内部触点损坏；倍福模块本身有问题；过速保护模块的硬件短接线虚接或连接错误或模块内部设置有问题等原因。排查方法：2.5.1分析故障文件，检查发电机转速，如果转速都正常，则检查从Overspeed模块到KL1104之间的回路接线，是否有虚接。2.5.2再通过故障文件检查三个转速中是否有过速的，如果没有，就是测量模块的问题。如果有，就是控制策略的问题，需联系厂家解决。2.5.3检查程序配置是否正确，检查过速模块短接线和内部整定设置是否正确。2.5.4如果以上检查都正常，则直接更换Overspeed模块。2.6发电机过流和不平衡故障可能原因系发电机开关柜霍尔电流互感器和过流保护（OverCurrent）模块线路虚接或本身有问题；发电机出现过流、缺相、不平衡等原因。排查方法：2.6.1分析故障文件，检查发电机电压、电流数值是否有跳变，如果数据没有跳变，再检查过流保护模块内部设定值是否正确（需要厂家协助）；如果正确，则发电机出现真实故障，检查霍尔电流互感器（如图8.1）和过流保护（OverCurrent）模块本身（如图8.2）或线路。2.6.2如果以上检查都正常，则检查发电机电缆、网侧电压等方面，并寻求厂家技术支持。图8.1霍尔电流互感器17

917图8.2过流保护模块2.7转子制动器由于现场安装及转子锁定盘、锁定槽不规则磨损、锈迹（如图9.1）等原因，造成制动器本体及刹车片正常使用时，制动力不稳定或下降，导致制动器本体（如图9.2）损坏，油路泄漏（如图9.3）。图9.1转子锁定盘生锈图9.2不规则磨损部位图9.3制动器本体泄漏排查方法：17

10172.7.1选择小风天气，让叶轮自由旋转，通过人孔处，检查发电机转子锁定盘及锁定槽是否有锈迹、划痕、异常损伤等现象。如有，用角磨机将之打磨平，情况严重者，反馈厂家，建议更换。2.7.2检查制动器闸片。测量制动器闸片厚度，如果厚度小于2mm，更换闸片。2.7.3查制动器本体及油路，手动打压，观察闸体及油路是否有油向外溢出，如果没有则正常，如有，则仔细检查渗油部位（管路接头密封圈，油管破裂，堵头等部件），予以更换相关部件。2.7.4用实验台做耐压实验（如图10），机组制动状态下，制动压力为155bar~160bar之间，观察制动器本体及管路是否有泄露点。图10制动器油压测试台2.8转子刹车环锁定槽损坏由于现场安装及叶轮锁定操作等原因，造成转子锁定盘锁定槽损坏（如图11.1）。17

1117处理方法：通过焊接堆焊（如图11.2）的方法，修补锁定槽边缘损坏部位。首先，将损坏的锁定槽处于竖直正下方成Y字型，利用吊带和吊葫芦将定子和转子的位置相对固定。然后由厂家专业技术人员，用5毫米厚度的Q345C板材焊接上（与转子锁定盘材料相同即可），再用角磨机对刹车环锁定槽修补部位打磨处理，使该部位表面达到刹车环板材表面要求，即处理完成，待后期观察。图11.2锁定槽修复2.8转子刹车环锁定槽损坏由于现场安装及叶轮锁定操作等原因，造成转子锁定盘锁定槽损坏（如图11.1）。处理方法：通过焊接堆焊（如图11.2）的方法，修补锁定槽边缘损坏部位。首先，将损坏的锁定槽处于竖直正下方成Y字型，利用吊带和吊葫芦将定子和转子的位置相对固定。然后由厂家专业技术人员，用5毫米厚度的Q345C板材焊接上（与转子锁定盘材料相同即可），再用角磨机对刹车环锁定槽修补部位打磨处理，使该部位表面达到刹车环板材表面要求，即处理完成，待后期观察。17

1217图11.1转子锁定槽损坏位置后轴承处有无异物掉落或磨损现象；最后从发电机前轴承（如图13.1）及后轴承（如图13.2）密封保持架和转轴止圈之间的间隙处提取出油脂，化验分析，检查轴承油脂中成分（如碎铜块、碎铁块等磨损物），根据化验报告决定机组是否投运。2.10发电机内部故障可能原因系发电机内部不明吸附物、绑扎材料松动剥离、绝缘层脱落、磁极磨损等原因造成；如果磨损继续加重，则会出现发电机在运行过程中有振动并伴有异响，最终导致发电机故障停机。排查方法：2.10.1不明吸附物发电机为开启式散热结构，空气在定、转子气隙内流动过程中可能会造成灰尘敷落在定、转子表面，用发电机专用封堵帽（如图14.1）封堵观察孔（如图14.2），防止不明吸附物的产生。图14.1发电机观察口封堵帽17

1317图14.2发电机观察孔13.2发电机后轴承取油脂2.10.2绑扎材料松动剥离发电机定子绕组使用的绑扎材料经过绝缘固化后与定子形成整体结构，不会出现散开、脱落，但因外部环境致使运行过程中过温过热，有可能出现绑扎材料松动剥离，需厂家专业技术人员，通过内窥镜检查，已确定能否继续运行。2.10.3绝缘层脱落使用数字式绝缘测试仪（如图15.1）或绝缘摇表（如图15.2）测试单相绕组对地绝缘，测试时间为15s、60s，正常应大于500MΩ。依次测量发电机6相绕组对地绝缘值及U1与U2，V1与V2，W1与W2的相间绝缘值，并分别将测试结果纪录并比对。若使用绝缘摇表测试，测量前应对摇表进行开路校检。摇表“L”端与“E”端空载时摇动摇表，其指针应指向“∞”；摇表“L”端与“E”端短接时，摇动摇表其指针应指向“０”。说明摇表功能良好，可以使用。测量时，摇动摇表手柄的速度要均匀１２０r／min为宜；保持稳定转速１min后，取读数，以便躲开吸收电流的影响。测试完毕后，检查测量数值，判断发电机绝缘是否达到运行要求。图15.1数字式绝缘测试仪17

1417锁定叶轮，直接观察发电机转子外壳（如图16.1）是否有黑色粉末溢出；再通过发电机观察孔（如图16.2）检查，用手直接深入观察孔探摸，观察手指探摸后的颜色，是否有黑色粉末。图16.1发电机转子外壳图16.2观察孔通过内窥镜检査发电机内部磁极磨损发黑现象（如图17），磁极摩擦，产生粉末和碎块，从发电机排水孔掉落到发电机外部；同时碎块在转子转动时不断发生碰撞也会发出声音，产生异响；磁钢块与定子不断摩擦，造成定子摩擦部位光泽度高于其它部位；摩擦产生的高温使磁极表面产生烧灼现象。由厂家确定其原因，并告知机组能否运行。17

1517图17疑似磁极磨损发黑现象3、发电机检查方法3.1通过发电机温度、转速、功率曲线、电压、电流等历史数据，观察发电机运行状态；3.2观察并网、自由旋转状态下发电机的运行声音，确认是否存在异响（发电机磁钢脱落、轴承缺油或者损坏、转子加强环内有异物，如焊渣、遗落的工具等，都会发出刺耳的咯吱声）；3.3用绝缘电阻测试仪测量发电机绕组之间及绕组对地绝缘电阻，是否符合运行要求（检查发电机两套绕组对地及绕组间阻值大于5MΩ为“合格”）；3.4观察发电机前后轴承密封圈处，是否有油脂排除；密封圈是否老化，有裂纹；3.5打开天窗，检查发电机后端盖、定子通风口处是否附着黑色粉末，查看排水孔和观察孔内是否有黑色粉末流出；3.6将内窥镜探头通过观察孔深入定、转子气隙内，对定、转子表面进行拍照和录像，通过拍照和录像判定定子铁芯、转子磁极是否正常。4、发电机故障预防措施4.1加强发电机巡查力度（全场每月至少1次），巡查结果存档，如有异常，采用录音记录，即刻停机通知厂家。4.2检查发电机外转子观察口或者排水口情况,如无法目测，则停机，做好安全措施的情况下，用手摸的方法检查，发现问题及时反馈厂家进行处理。17

16174.3加强定检监督。每次定检时，检查发电机后轴承密封圈，并查看发电机后轴承油脂是否干涩,油脂内是否有铁屑等杂物；检查机组内的所有连接螺栓，若力矩维护不到位出现防松标记的位移，或力矩过大造成螺栓损伤，将会加剧机组在外力作用下的振动，最终导致发电机因外力损伤。4.4加装在线振动监测系统。利用安装在发电机轴承上的各种感知元件在线监测发电机轴承的结构动力学特征，分析和诊断出发电机运行状态，提前识别裂纹、气动不平衡、发电机轴承损坏、螺栓断裂、超负荷等异常情况，并精确定位故障程度、预测失效，帮助用户优化维修，减少意外停机，降低不可预见成本损失（笔者推荐）。4.5强化设备安全意识。正常风速情况下，同一时间段内机组突然出现连续几次振动报警，一定要停机登塔检查故障原因不能连续复位启机。5、结论面对风力发电机组复杂的运行环境，故障产生源的多样化，通过自己的观点和处理方法，为以后风力机组发电机发生相同故障时提供理论依据。风电产业发展到今天必然要涉及到风电场的运行维护管理问题，且已上升为重要课题。企业有一句名言“以质量求生存，向管理要效益”，风电场想多发电，只有加强安全、科学运行维护管理，才能提高风力发电机组的可利用率，向电网输送符合要求的绿色电能，取得良好的经济及社会效益。17