风力发电机现场测试技术浅析

文／王春光

风力发电机现场测试技术浅析

文／王春光

随着我国对环保与可再生能源的愈加重视，国内风电机组的制造与运行在最近十余年的发展中逐渐壮大，针对于风电机组的设计、工艺、制造与检测水平也稳步提升。风电机组一般安装在距地面几十米的高处，在现场进行维护和检修不便，在这种情况下制造方和风电场方就需要通过检测手段来保证风电机组的安装与运行性能。本文对风电机组在风场现场进行的检测项目所应用的技术进行浅析，从技术应用的角度来看待双馈异步发电机和永磁同步发电机的检测差异。

发电机现场检测技术综述

现场检测可以分电气测试与机械检测两大类，电气测试要确认电气部件和电气连接线路的工作状态，机械检测要确认发电机运行过程中的部件受力变化情况。下面对现场测试中应用到的技术方法进行介绍。

一、电压电流测试法

电压电流法可以进行发电机的电阻性能检测，包括绕组（测温元件、加热器、接地碳刷等）的直流电阻和绝缘电阻；安全防护的开关通断功能（如碳刷限位开关通断、避雷器接地电阻）检测；绝缘交流耐电压试验等。此方法是指在导体（或绝缘体）两端施加一定的直流或交流电压，测量通过导体的电流值，通过判断其电流值或电阻计算结果，来确定部件的质量或工作状态（电路通畅或电气隔离）。检测设备也是按这个原理来工作的，由稳压电源提供稳定的电势能施加在导体两端，使用电流传感器测定导体中的电流值，通过控制单元进行采样校准，收集电压电流数据，计算单元按预设程序进行计算或结果判断，由显示或输出单元将结果显示出来。

二、冲击电压衰减效应

绕组或线圈匝间耐电压试验利用的是模拟自然雷电的冲击电压在绕组或线圈中的衰减波形来判断其质量状况的，测试设备的升压整流滤波单元控制合适的直流冲击电压输出，使用闸流开关将冲击电压突然施加在绕组或线圈的两端，冲击波在绕组或线圈中的放电波形会在示波器出显示出来，因放电衰减波形与绕组或线圈的匝数和磁路相关，与正常的绕组或线圈进行对比，来判断绕组或线圈内部是否有短路或断路。

三、霍尔效应

永磁体的磁特性检测利用的是霍尔效应原理，即当导体中的电流与外磁场在空间相交时，导体的两端会出现电势差，因此，测量导体两端的电压即可利用原理公式计算出外磁场的磁感应强度，检测设备一般由稳压电源输出稳定的电流流过传感器的导体，将传感器垂直放置在永磁体的表面，通过控制单元采样，将采样数据通过计算单元进行计算，最后得出磁感应强度（或磁通密度）数值。

四、杠杆原理

紧固件的装配检测使用了力矩扳手，应用的就是杠杆原理，在杠杆的一端使用较小的力可以在另一端产生更大的力，当力矩扳手施加在紧固件上的力达到要求时，机械式力矩扳手的机械锁会滑脱，避免力矩过大对紧固件的损伤，此种扳手多用于螺栓紧固件的装置；数显和指针式的力矩扳手则是利用杠杆弯矩与扭矩等效的原理，通过扳手内置的应力变形传感器将应变信号转换为电或机械信号，在数字显示屏或指针表盘中显示出来，此种扳手多用于力矩值的检测与验证。

五、光电传感技术

发电机与齿轮箱或主轴的联轴对中装配及检测，可以使用千分表或激光对中仪，利用两轴中心线的相互位置在旋转时的变化量来调整部件位置并进行判定，激光对中仪利用的就是光电转换传感技术，由激光发射器输出特定波长的激光，光敏部件接收到激光的位置变化量，计算出轴中心线需要调整的量。

六、机电转换传感技术

发电机的振动测试一般由振动加速度传感器、数据采集主机两部分组成，加速度传感器利用的就是机电转换传感技术，即当机械振动产生的力作用在压电晶体上，利用晶体的压电效应（当晶体在一定方向的外力作用下或承受变形时，晶体面或极化面上将有电荷产生，即受力生电效应）将机械振动信号转换为可识别的电压量，在显示单元中显示出来，由控制单元或工作人员进行判定。

七、非线性电阻保护

发电机的避雷器是保护电机绕组等部件在受到雷击或误操作过电压时不受到电气损坏的安全防护装置，其最重要的组件就是接地电阻，如具有优秀非线性电阻特性的氧化锌电阻，在正常工作电压下，氧化锌电阻有极高的阻值，仅可通过微安级的电流，而当电压超过设计限值时，氧化锌电阻阻值会迅速降低，允许通过的电流迅速增大，将过电压直接释放接地，避免过电压直接冲击绕组等部件。利用氧化锌电阻，可以制成无间隙结构的避雷器，具有质量轻、耐污染、阀片性能稳定等特点被大量应用。

八、传声器和计权网络

发电机在运行过程中会发出不同的声音，有经验的作业人员会依据声音的不同对发电机的运行状态进行判断，声级计的使用就是将人耳听到的声音转换为电信号，供作业人员进行参考判断。声级计使用的传声器一般为电容式，当电容的一极响应声波而运动，会改变电容器的电容值，电容的变化在电路中会变成可测量的电信号，通过放大电路传输到计权网络，计权网络可以模拟人耳对声波反应速度的时间特性、对高低频有不同灵敏度的频率特性、对不同响度时改变频率特性的强度特性对信号进行频率计权，计权信号会再次放大送到有效值检波装置中进行比对，在显示屏中显示出声级，因为声音信号经过了计权网络的修正，所以最终的测定值不是客观物理量的线性声压级，而是带有人耳主观性的计权声压级，由于计权网络不同，可分为A级、B级、C级计权声级，因A计权声级的特性曲线最接近人耳的听感特性，现用的国家标准中规定的噪声限值即为A计权数值。

以上现场检测应用到的技术，除依靠经验进行外观的目视检测外，从简单的电压电流检测法到较流行的传感技术，体现了国内发电机检测技术方法的进步。

双馈异步与永磁同步发电机之间的对比

双馈发电机和永磁发电机是现阶段我国风场内最常见及安装量最多的两种机型，各自有不同的结构特点和优缺点，表1中列出了双馈发电机与永磁发电机之间的主要区别，需要相关人员在进行现场检测前加以了解。

由于两种发电机在结构和功能上的不同，在进行现场检测时也会有些差异。表2列举了两种发电机检测项目上的对照。

表2汇总了双馈和永磁两种发电机的现场检测项目，除对永磁体的检测项目外，表中所列的项目大部分均相同，只有部分项目由于结构差异而不同，现场检测作业所应用到的技术也大都相同，且在相近的测量范围内，使用的检测设备也可以通用，应用到的技术也基本无差别。而且，现场检测应用到许多相应的国标包括：GB/T 23479.2－2009《风力发电机组 双馈异步发电机 第2部分：试验方法》、GB/T 25389.2－2010《风力发电机组 低速永磁同步发电机 第2部分：试验方法》、GB/T 1029－2005《三相同步电机试验方法》、GB/T 1032－2005《三相异步电动机试验方法》等，以及整机商或发电机制造商提供的使用说明书或现场维护文件中，对于现场检测应用的技术也有简略的说明，根本上讲也是没有区别的。最后应该提到，现场检测作业人员也应具备一定的专业素养，对以上检测项目及应用技术加以了解。

表1 双馈异步发电机与永磁同步发电机对比表

表2 双馈异步及永磁同步发电机现场检测项目对照

结论

现阶段，我国大部分风电场虽然已经或即将安装SCADA等在线监测与管理系统，但并不能取代所有的现场检测项目，仍需运维人员爬到塔筒上在发电机的近距离实施作业。从前面的分析来看，两种发电机的现场检测基本没有区别，在同一风场安装两种风机不会对运维效率有影响。

（作者单位：北京鉴衡认证中心）