风电变流器预防性维护检测技术运用研究

吴思宇，张晨刚，李源

华能新能源股份有限公司河北分公司，河北石家庄，050000

0 引言

分析风电变流器预防性维护检测技术，有利于升级当前风电机组常规维护工作。近些年，很多业主开始自主维护大部分的风电机组，但是在风电变流器常规维护过程中，每年都需要定期更换清洗滤网，同时需要定期开展器件除灰等工作，这就需要提高维护人员工作专业性和责任心，因为当前还没有成熟的变流器深度维护检修的工作站，因而需要加强研究风电变流器预防性维护检测技术，完善预防性维护检测系统，进一步提高整体检测水平，保障风电交流器运行的安全性和可靠性。

1 风电变流器预防性维护检测技术应用背景

风电变流器应用时间比较长，将会引发器件老化，并且增加整体设备的故障率，因为夏季气温比较高，机组在满功率运行过程中更容易发生故障。很多企业重视这一问题，利用维护手册安排专业检修人员定期深度维护变流器，完成维护工作之后可以在短期内缓解变流器过温情况，但是在长时间运行过程中还会产生过温故障，不利于彻底解决问题[1]。

变流器功率模块的散热片原材料为铝翅板，铝翅板的上面具有散热绒面，但是在长时间运行过程中很容易沾染油污灰尘，而且很难清理干净，从而降低整体散热效率。深度维护可以缓解过温情况，但是无法彻底解决问题。

针对上述问题，需要利用风电变流器预防性维护检测技术，及时完善风电变流器预防性维护检测体系，弥补传统交流器检修维护不足的问题，彻底解决风电变流器使用过程中的过温问题，同时需要做好日常老化测试，及时发现并且解决故障隐患，优化检修处理效果，提高风电变流器机组利用率[2]。

2 风电变流器劣化因素

2.1 电气因素的影响

在风电变流器机组运行过程中，如果风电机组发生超发问题，将会导致电流绝缘材料温度出现异常情况，再加上风电机组故障等因素影响，将会引发导体出现过热老化的问题。电气因素还会直接影响过负荷分合断路器，在实际运行过程中产生电弧火花，导致触头发生氧化问题，最终烧蚀主断路器的接头，此外在接触器实际运行过程中也会出现这种问题。

在风电变流器的实际运行过程中，因为电压和雷电等方面的影响，过电压将会影响风电机组的绝缘性，如果绝缘材料出现单点破坏的问题，将会随之放大局部放电的破坏范围，将会引发风电变流器机组的安全隐患，甚至会产生全面劣化的局面[3]。

2.2 机械因素的影响

风电变流器机组在长期运行过程中，各个组件将会产生磨损问题，例如触头很容易发生磨损，或者线圈发生老化问题等。因为变流器机身具有较大的负荷，在实际运行过程中因为机械应力的影响，可能会引发变流器螺栓松动、端子排接线不实等问题，这会影响到信号反馈，导致机组出现误报、频繁报警等现象。而且在风电变流器振动的同时将会引发冲击问题，因此也无法有效避免机体疲劳劣化问题。

2.3 发热因素

在维护工作中需要重点关注风电变流器的发热问题，因为风电变流器很容易发生发热问题，变流器长期处于满负荷运行状态，再加上发生短路问题和设备老化等问题，将会引发变流器各个部件发生变形或者松弛等问题，如果接头发生松动问题，将会影响到密封效果。不断升高温度之后，将会氧化绝缘材料，降低绝缘性之后将会引发短路风险。在电气开关操作过程中，电弧将会影响到部分材料，导致材料发生变形或者烧蚀问题[4]。

2.4 环境因素

环境因素也会影响风电变流器维护检修工作。因为风电变流器工作环境比较特殊，很容易产生灰尘和油污，而且长时间处于高温环境和潮湿环境，很容易影响风电变流器运行的正常性，此外可能会有一些小动物啃咬信号线路，严重破坏信号线路完整性。

3 风电变流器预防性维护检测技术

风电变流器预防性维护检测技术发挥着重要的作用，电力行业并没有系统性地规定风电变流器检测方式，在实际工作中主要是参考相关数据和工作经验。根据风电变流器供应商提出的数据参数，并且结合风电变流器实际运行状态，不断调整预防性维护检测方案和技术。在维护检测风电变流器的时候，如果利用单一定检方式，无法保障风电变流器运行的安全性，甚至因为没有及时开展维护检测工作，而存在故障因素引发紧急停机。因此需要梳理风电变流器预防性维护检测工作的关键点，有序推进预防性维护检修工作，显著降低风电变流器的运行风险[5]。

3.1 预防性维护原理

如果风电变流器的绝缘材料出现击穿或者老化等问题，将会引发风电变流器发生劣化失效等问题，而且随着时间的延长，将会不断加剧风电变流器的劣化状态，最终引发功能失效等问题。风电变流器的某些功能性故障通常不是在一瞬间发生，而是长期渐变发生的，而且在劣化过程中很难发现可识别的状态量，在发生真正的功能故障之前，潜在故障正在不断地恶化，因此需要利用预防性维护技术及时排查潜在的故障，避免引发严重的后果。

风电变流器的设计寿命通常为30年，并且保障使用寿命在20年以上，但是因为风电变流器的工作环境比较恶劣，在实际运行过程中存在各种影响因素，而且内部器件具有不同的性能，导致一些器件逐渐不符合设计初衷。如果器件产生潜在故障，将会逐渐降低功能状态，引起存在电气安全的裕量。器件的主要功能和安全参数等符合相关标准，还可以正常使用器件。具体情况如图1所示：图中ADF属于自然劣化曲线，而ABCE属于异常劣化的曲线，A代表器件发生劣化的初始点，B代表器件劣化可以检测到的定损点，C代表器件需要维修的故障点，D代表维修保养之后的恢复点，ΔT代表状态监测时间的间隔。如果器件产生潜在故障，将会在A点产生偏离，并且顺着ABCE曲线发展，在这一过程中将会不断降低设备功能，如果在BC段通过检测发现故障，并且有效处理了故障，将会达到最佳止损点，避免加快劣化，否则将会引发功能失效，甚至会引发电气事故。通过监测设备工作状态，可以在BC段及时修复发现的潜在故障，可以及时规避后续问题，保障预防性维护效果[6]。

图1 预防性维护示意图

3.2 预防性维护监测技术

通过统筹分析风电变流器运行过程中存在的问题，其主要可以划分为过热型事故和发电型故障。发生过热型隐患之后，将会在内部器件和线路电缆以及电气接头等位置发生发热问题，持续性发热将会引燃绝缘材料，最终发展为火灾事故。放电型故障指的是损坏密封器件，导致绝缘材料发生受潮或者受损等问题，同时会产生游离放电或者电晕等，最终引发绝缘击穿等问题，引发安全事故。

上述故障隐患不适合利用传统的电气检测方法，可以利用红外检测技术和超声波检测技术，可以在供电状态中检测设备缺陷，并且可以定位故障发生的位置，有效分析故障性质和成因等，进一步保证整体供电状态的可靠性和安全性[7]。

针对过热型隐患，工作人员可以利用红外检测设备测量风电变流器，在实际工作中主要是利用红外测温仪和红外热像仪等设备，其中红外热像仪具备智能诊断能力，在实际工作中利用红外探测器和光学成像物镜等，接收被测目标的红外辐射能量，并且可以在红外探测器的光敏元件中反映出来，因此建立红外热像图，同时利用不同的颜色显示不同的温度，随后利用图像处理技术准确地分析设备运行状态。

针对放电型隐患，需要利用超声波检测设备测量运行中的风电变流器，通常是利用超声波局部放电检测仪，主要是通过外差法转化电气局部放电的高频噪声为电流信号，随后利用内部处理转化为音频信号，再借助高频接收器接收超声波信号，通过分析音质和强度，及时精确性地检测放电现象，并且可以准确地定位故障点，有利于及时发现设备隐患。在超声波变流器检修平台运行过程中主要是利用外部交流230V供电，提供两路电力输出口，为检修工作提供便利。检修平台主要包括静音空压机和超声波去污台以及电子元件驱动测试系统[8]。

风电变流器具有较长的使用时限，环境和运行条件等会影响风电变流器运行，在交流器功率柜中很容易产生灰尘，从而影响风机散热效果，尤其在夏季很容易产生温度过高的情况。综合利用超声波检测技术和检修维护平台，可以整体拆下交流器功率单元模块，通过清理积累的灰尘，在超声波振动槽中放置，可以深度清洗功率单元的散热片，同时利用水循环过滤器收集清洗出来的污垢。完成清洗工作之后可以开展热风循环，快速蒸发功率模块附着的液体。深度清理功率单元之后，可以利用IGBT驱动测试系统测试功率单元组件，检测脉冲信号的正常性，如果可以满足设备要求，可以直接安装变流器。如果没有通过功率单元功能测试，可以利用测试系统单独检测母线排和电容硬件性能，及时分析故障发生的原因。

4 风电变流器预防性维护检测方案

4.1 断路器

断路器可以保护风电机组和电网线路连接，有利于保护整个机组。主断路器还可以发挥计数功能，因为发生故障之后断路器可以分断大电流，因此降低内部绝缘性，只能参考动作次数，可以选用红外技术检测内部动静触头和外部接头的温度，从而确定接触效果，通过利用超声波检测技术可以确定断路器灭弧室是否存在放电问题。

4.2 熔断器

在风电变流器多个部位设置熔断器，如果发生过负荷发热问题可以快速熔断，避免扩散故障。如果长时间使用熔断器，将会引发腐蚀和氧化等问题，会改变熔体特性。因为受潮而损坏灭弧性能，降低其分断电流能力，在红外检测过程中，因为熔断器和熔体表面的温度值通常是超过正常值的，可以合理提取正常值，比较相邻熔断器。也可以利用超声波检测技术检测熔断器接线端子，确定是否存在局部放电问题[9]。

4.3 接触器

可以利用交流接触器频繁接通和分段交流电路，如果供电电压比较高，因为频繁操作将会影响接触器铁芯断面的平整性，接触器动铁芯发生机械故障，如果内部触头接触效果较差，将会引发触点过热问题，可以利用红外热像仪全面检测内部发生的过热故障，根据温度场分布情况开展诊断工作。

因为风电机组在实际运行过程中频繁地操作接触器，在断开和闭合内部触点的时候会产生气隙击穿和火花等问题，最终引发烧蚀和损伤等，甚至会烧毁接触器。可以利用超声波探测仪器全面监测，精确定位发生故障的部位，为检修工作提供参考数据。

4.4 电阻器

在风电交流器中设置预充电电阻，实现直流母线预充电，为了保障风电机组并网运行，可以在低电压穿越回路中设置电阻器，发挥机组保护作用。如果电阻器出现接触不良等问题，可以利用红外热成像技术完成检测工作。

4.5 电抗器

在风电变流器的机侧和网侧安装电抗器，在运行过程中发生电路过流和过压等问题将会损坏电抗器。电抗器高温部位很容易发生损坏问题，这是因为外部环境因素的影响，将会劣化绝缘材料和绝缘结构，因此需要利用红外成像技术预测性评估温度分布情况。还可以利用超声波检测技术提前预警电抗器漏电现象。

5 结论

风电变流器的工作条件和工作环境非常复杂，因此在实际运行过程中存在各种问题，威胁整个机组运行的安全性，因此需要利用风电变流器预防性维护检测技术，结合实际情况利用红外检测技术和超声波检测技术，及时发现风电变流器的隐患问题。