风电场电气运行常见故障及处理方法

上海能源科技发展有限公司 孙建鹏

在双碳能源体系的建设规划中，风电光伏作为绿色清洁能源，其能源开发技术的创新与发展受到广泛关注，以风力、太阳能等为代表的新能源也成为了支持电力生产的重要能源基础。

风能的大规模开发与利用，在促进了电力生产、输送、控制相关技术发展的同时，也对机组容量、设备运行周期、检修维护投入等提出了更高的要求。为保证大容量、高速性电气系统的安全、稳定运维，风电机组管理与监测相关单位应深入、全面分析电气系统全过程运行状态，及时排查故障异常问题，通过合理制定预防管控对策、完善日常检修管理制度、选择科学的故障处理方案等举措，最大限度的降低故障异常对机电运行质效的影响，为风电场可持续、高效化发展保驾护航。

当前阶段，低碳环保、可持续发展战略的全面实行，使得百万千瓦级风力发电场的建设数量逐年上涨，陆上风电和海上风电能源网络亦不断完善，风电产业链进入市场化、规模化发展阶段，推动风能高效、稳定利用，成为有效贯彻双碳战略的重要举措[1]。

大规模、智能化风电能源体系的网格化建设，对风电场电气运维系统安全管理的要求也更严格。针对电气主控程序、齿轮箱、变桨、发电机、叶片等控制系统与部件的常见故障问题，制定科学性、灵活性的应急处理对策，可有效控制故障的影响，并根据状态监测、日常检测的反馈，对常规检修与维护机制进行优化调整，为风险机组的高效、稳定运行提供可靠的保障。

1 风电机组运维常见故障及具体诊断模式

在风电机组的实际运维管理环节，风电场主要通过日常巡检、定期维护、在线监测等方式对故障异常问题进行排查。风电机组主要由主控系统、齿轮箱、变桨、发电设备、叶片等部件构成，在检修过程中应围绕异常信息反馈、故障报警情况不同对设备性能进行对比分析，采用针对性的检修方法控制故障影响，提高机组安全维护效率[2]。

1.1 主控系统异常问题表现与故障诊断

主控系统作为风电机组的核心控制程序，借助大数据、人工智能等技术，对风机不同设备的运行逻辑进行判断，下达控制指令，实现自动化、智能化控制目标。当前风机控制搭设的自动化系统以PLC 程序为主，系统运维过程中常见的故障问题分为系统自身运维控制故障与外部故障。其中PLC 控制模块的故障异常表现为模拟量、数字量信号输出/输入无显示或显示不正常、指示灯无反应等。针对该种故障情况，需要重新启动程序对异常位置进行排查。

系统外部故障的检测需根据SCADA 系统监控报警信息反馈情况，结合代码秒速找准设备故障的具体位置。在日常检修、维护工作中应注重主控系统的故障预警提示，制定应急管理对策，接收警报后应第一时间启动故障应急处理方案，降低安全事故风险影响[3]。

1.2 齿轮箱故障表现与诊断技术

齿轮箱的安装位置在风机的机舱内部，是双馈机组传动链系统的重要部件，连接了发电设备与主轴，具有结构复杂、精密的特征，不同位置的受力情况差异较大，在同一运行条件下齿轮箱各构件的载荷不同，容易出现部件失效问题。齿轮箱的故障问题主要分为轴承故障、齿轮故障两种，前者主要表现为部件磨损、裂缝、外层剥落等；后者表现为齿轮断裂、齿面疲劳、表面粘着等。

在对齿轮箱进行状态检测时，振动检测由于适用范围广、对风机运行影响小、经济实用等优势，是最为常见、有效的检测技术，可有效检测出齿轮与轴承等部件的运行性能。在检测齿轮箱中心孔、管道线路、冷却设备时，主要测试其密封性是否符合使用标准，及时排查部件破损、变形、漏油等故障问题。同时，还需定期用内窥镜对喷油管、排气管、弹性支承等构件进行观察，做好精密机械的常规保养、维修工作。

1.3 变桨系统与接线电缆故障常见类型与诊断技术

变桨系统属于风机运行系统的基础动力执行装置，通过转速控制利用风能生产电力，同时也是保证电气系统安全、稳定运行的重要设备。当系统承受超出标准范围内的风力作用时，变桨装置可在主系统的控制下进行收桨操作，保护风机设备。变桨装置具有器件构成数量多、运行结构精密、力矩与部件间连接紧固性要求高等特点，故障发生的频次也相对较高。

变桨系统出现故障的主要原因包括电气问题、机械问题。在检修维护方案中，电气故障检修模式分为手动测试、急停测试、电池状态检查、充电回路检修等。机械故障检修包括轴承密闭性检修、润滑性检测、变桨电机、变桨轴承密封性、润滑油系统检查等。

接线类故障也是风机系统常见的故障问题，风电机组接线故障检测按照技术应用的不同可分为接地断线与非接地短路。在接地断线类系统故障问题发生时，需对接地线路的绝缘情况进行检测，检验出绝缘电阻参数后，关闭断路设备、隔离检测位置电缆进行验电，全部检测项目结束后进行放电。非接地短路的系统故障的排查需采用分段检验的方式，故障多发于电缆接头位置，在检测接线箱、开关柜等电缆接头情况时，需要在接地处标记，便于后期统计检验结果[4]。

1.4 发电设备故障问题与诊断方法

风机发电的原理是由风能作用于叶片上，叶片转动带动主轴部件旋转推动传动设备运行，将风力动能转换为电能。在这一过程中，为提升风能整体利用效率，风电设备需在宽阔的要室外装设运行，易受气温变化、大风天气、沙尘灾害等环境条件的影响，导致发电设备出现轴承运行过热、线圈短路与断路、机械部件过度磨损、管线绝缘外皮破损等问题。

据风机发电设备故障数据相关统计，发电设备发生故障的频次占据总故障数量的5.5%；发电设备故障导致的停机时长占据总停机时长8.9%；发电机轴承故障率在发电设备整体故障总数中占40%、定子故障达到38%。按照发电机的故障特征，通常所使用的诊断方式为分析转子/定子电流信号、电压情况和输出功率反馈数据判断故障点，合理选择部件更换、维修方案。

1.5 叶片常见故障和诊断方法

叶片是风电机组用于捕捉风能的构件，设备运维性能直接影响到电力生产的质量。在系统运行的过程中，风机的叶片暴露在室外环境中，空气中的水分子、化学物质、粉尘颗粒等容易对叶片造成腐蚀侵害影响。此外，外界雷击、降雨、降雪等气候也会对叶片质量产生影响，长期处于高负荷运转状态下，叶片连接位置也易出现松动、变形、开裂等问题。长此以往，恶劣的环境不仅会影响叶片对风能的转换效率，严重情况下甚至会出现转子故障问题，导致风机频繁出现颤动情况。很多风机的较大故障并非偶然也不是一下造成的，而是当风机偏离原来的设计指标或发生小故障后没有引起足够重视，使得故障影响逐步积累，没有及时预防与控制，最终导致重大安全事故的发生。

现阶段叶片部件的检测主要包括红外线无损检测、应力检测等。红外线检测是利用不同检测目标温度分布红外成像图像的分析，对叶片表面是否存在裂纹、变形、剥落等情况进行分析，通过图像数据的对比，找准故障可能出现的位置，为后续维修工作提供支持。应力测试是指将叶片材料在不同应力环境下的变化参数记录起来，分析故障表现。此外还可在叶片上装设除冰设备，提高地位环境中叶片运行的适应性，控制低温影响。

2 提升风机故障处理质效的实践策略

2.1 深入分析风机不同部件故障原因，做好故障风险防控工作

在双碳目标下，为了进一步提升风能清洁能源的利用质效、降低风机系统该故障发生的频次，风电系统管理单位应提高风险防范意识，加强防护系统的建设。

风电场需根据实际建设情况，综合考虑影响风机运行状态的各项因素，全面、深入掌握风机故障的常见诱因，分析风机机械故障、控制系统故障的具体表现，做好系统防护工作。如，为预防设备、线路遭受雷击，可预先安装防雷系统降低雷击风险；科学规划电路的铺设路线。在铺设施工前，通过实地勘察、数据建模、查询历史数据、统计分析线路情况等设计准备工作，合理制定铺设方案，避免出现不必要的错误，技术人员要对线路进行全面的检查和质量控制，保证工程的质量满足要求。

从长效发展、稳定运维管理的层面出发，合理制定应急管理方案。组建专业的检修、养护队伍，积极培育、引进高素质、实践型技术人才，增强风机运行机组异常排查、故障检修的工作质效。

与此同时，搭建起高效、实时的电气系统运行在线监管平台，利用大数据分析、人工智能识别、云计算等现代技术评估系统运行状况，并且及时、准确的对可能发生的故障问题进行预测分析，及时进行替换、修复，从源头把控风机运维可能出现的风险。

2.2 科学规划，采用针对性的故障排查与处理对策

风机系统运维管理单位收到异常预警或故障报修相关报告时，应在第一时间对异常问题进行检测，根据异常表现确定故障原因后，采用针对性的维修处理手段，避免故障影响扩散。以风电机组异常声响情况的检修与处理为例，首先需技术人员判断异响发生的位置，找准故障发生的具体位置，观察是否连接部分出现螺丝松脱、进入异物等情况，如是由螺丝松动产生异响，需及时用工具进行加固。如螺丝未出现松动、脱落情况，则需对风机构件连接处是否存在进入异物的情况，如存在摩擦力增加的现象应及时进行清理。

如故障类型不属于以上几种，需进一步进行深入检测，将电机外壳打开对电机轴承位置进行观察，发现构件出现破损或位移、变形等情况时，需及时对构件进行维修、更换处理。

2.3 完善制度，明确风机系统管理与维护的职责

随着我国现代能源建设体系的不断完善，大规模、高容量风电场的建设数量大幅度增加，风电电气运行系统的安全管理要求逐步提升。为最大限度控制风机运行过程中的安全风险，相关运行管理单位不仅需要贯彻风险预控的原则，制定针对性的应急管理对策，做好故障原因、表现的分析、梳理工作，同时还需完善相关检修、养护、故障处理规范制度。

具体来说：一方面应明确划分系统操控、检修管理、常规维护等不同岗位的具体管理职责，按照设备安全使用周期定期对部件进行更换，保证电气系统能长期处于稳定运维的状态；另一方面检修与维护相关管理单位应及时、动态地了解风力发电领域的前沿技术，加强先进技术成果的引进与推广，在不断优化风电机组检修设备、技术配置的基础上，完善电气控制系统在线监测、智能识别、风险分析等功能，全面提升风电机组的控制与管理质效。

应定期检查和消除控制系统电源、信号、网络回路的端子排积灰、配线和电缆接插件松动和过热现象，严格按照系统运行要求对异常报警等级进行划分，依照故障影响的轻重程度启动对应等级的处理对策。

3 结语

风力作为清洁型、环保型的绿色能源，在“3060碳达峰、碳中和”战略全面实行背景下，在新能源电力生产领域的应用范围不断拓宽，成为现代能源可持续开发产业的重要建设项目。风电场运用风电机组对风力进行转换的过程中，由于自然风力存在不稳定的特点，风电机组承受的荷载压力情况也有所差异，设备运行管理的难度相对较大。为保证风力发电的效率性、可靠性，风电场需在加强故障风险排查与防范管理的同时，制定针对性、灵活性的系统检修与维护对策，注重常规性状态监测与养护工作，严格把控安全风险，为风电场电力高效、安全生产提供保障。