风机常见故障及分析方法综述

上海中广核工程科技有限公司 张 毅

1 引言

风电对于改善能源供应，改变能源结构以及实现可持续性发展意义重大。随着技术的推陈出新和机组容量的增大，其系统结构变得愈加复杂，因此如何预防和及时消除风电机组的故障成为关注的热点。由于风电机组所在风场的风况复杂多变且运行环境恶劣，经历着酷暑、严寒、雷雨等不良环境的侵蚀，极易引起各种设备或电力事故。因此，对风电机组故障原因分析及诊断方法的科学研究，提前发现故障隐患，对于提升风电机组工作的安全性，保障其稳定运行有着重大现实意义。

2 风电机组常见故障及原因分析

2.1 塔筒及基础常见故障及原因分析

塔筒起着支撑机舱和吸收振动冲击的重要作用。国内风电塔筒多由合金钢作为原料进行生产加工，一般由三段或者四段筒体组成，筒体间通过螺栓连接。由于风机塔筒暴露在野外环境中，在外部环境等综合因素的作用下，极易导致风机塔筒发生锈蚀。造成锈蚀现象的具体原因如下。

一是由于附着在塔筒表面的涂料使用寿命超限，使得涂料表层粉化、剥落、起泡、松动等；二是在最初进行涂装作业时，外表处理过程不完全或没做好外表处理过程的前提下完成了涂料浇筑，所导致的涂料剥落、松动或污物因潮湿空气渗透至底材；三是在涂装施工过程中，施工工艺未掌控好，使底漆厚薄不一致，不能发挥较好的防锈功效；四是因特大风沙等灾害而导致涂层的损坏；五是在搬运、吊装过程中未能受到良好的防护，造成涂层损坏。针对风电机组塔筒锈蚀常用的处理方法如下。一是对局部腐蚀部位的表面进行喷射处理，彻底剥离腐蚀处已氧化的腐蚀面和旧镀层，露出金属母材达到S2.5级。在处理部位的边缘，通过动力砂轮研磨产生有梯度的过渡层，以便在经过喷漆施工后有一圆滑的表层。二是手刷或滚涂底漆至规范的涂层厚度。三是中涂漆施工时，可通过刷涂或喷涂手段达到原有设计的油漆厚度。四是面漆工艺：如果采用了局部处理的方法，当中间漆处理工艺和漆膜厚度均达到设计标准后，可进行喷漆或刷涂面漆以达到原来的设计强度要求。如果采用整体全面处理的方式，需在中涂漆厚度达标后对于整个塔筒外表面进行了彻底的清洗。

2.2 叶片及变桨系统故障及原因分析

很多风场在质保期间不重视叶片保养，质保期过后出现批量叶片的质量问题。比如叶片的外表胶衣寿命最多二年保养一遍，但是对于风场维护检修人员，相关专业知识有限，如果叶片目测完好、无断裂，不影响发电就认为叶片正常。叶片的外表胶衣有抗紫外光、防风沙、防结冰等特性，但是玻璃钢的自然本体如果缺乏外表涂料保护，直接遭受日光、风沙、酸雨环境就会产生发白、分层等状况，久而久之就会发展为更大问题或事故。所以主张对叶片以保养为先，维修为辅的原则，以提高叶片的寿命和效率。

2.2.1 叶片在运行过程常见的缺陷

一是针孔，叶片针孔主要是因为叶片出厂前未完全处理，在长期旋转过程，加剧叶片损坏，影响风机发电功率，甚至导致更为严重的后果。二是合模缝开裂，此种缺陷主要由于风机急停次数较多或者合模缝未处理达标导致。急停会使叶片旋转速度急速下降，合模缝处产生较强的作用力，数量较多的急停次数可能会导致上述问题的发生。三是雷击导致叶片损坏，雷击叶片导致瞬间过流值远大于设计值、接地导线松动、断裂、脱落等导致叶片损坏。需定期检查维护叶片接地装置。四是结霜挂冰，叶片长时间的旋转，受风力影响，表面防护油漆可能会脱落，导致叶片表面的清洁度、光泽度降低，在特殊的天气原因下，结霜挂冰，影响风机运行的平稳度。五是叶片断裂、弯曲、偏移、疲劳失效，由于叶片的长度和刚度上的特点，在转动过程中叶片自身不规则的震动极易导致叶片破碎。机组经过较长时间现场运转后，在叶片表面的尘土、鸟类排泄物或是在恶劣天气中叶片表面结霜等，都会引起叶片气动特性的改变，造成叶片受力不均和整体重心移位，再加之叶片长期遭受交变载荷的影响，最终会导致疲劳损坏[1]。

2.2.2 变桨系统常见故障及分析

一是因变桨电机的机械故障所造成不能进行变桨作业。导致该故障的发生多数是由于电动机长期运转缺少润滑所致。二是变桨控制回路故障导致无法变桨操作。变桨控制回路继电器或辅助触点的虚接或断开导致该问题。三是紧急回桨失败，多数会导致严重事故。目前大部分整机厂家都采用蓄电池或超级电容作为紧急备用电源，后备电源的状态会直接影响紧急状况下叶片能否正常顺桨。此外，该问题也有可能是由于变桨电机的机械故障导致。四是变桨系统日常检查需加强润滑系统的检查，定时加注新油，及时处理废油，检查润滑管道是否堵塞，参数设置是否合理，油泵能否正常运转等；控制回路定期检查；蓄电池或超级电容的定期检查等。

2.3 传动系统各部件常见故障及原因分析

主轴、齿轮箱、联轴器等旋转部件是风电机组传动链的主要构成，实现了风能向机械能的转换和传递，是风轮与发电机连接的纽带。这些主要构成设备受风电机组传动链的复杂载荷状态、多变运行工况、多变环境条件和风机设计的不同结构布局等方面的影响，通常存在特殊的故障机理与故障模式[2]。所以，针对风电机组传动链的运行特性和故障判别的共性问题，探究出新的科学与工程技术处理方法，以提升故障诊断能力与预测准确率，对保障风电机组设备的正常健康运转有着重大意义。

2.3.1 轴承失效

风电机组的传动链中包含了主轴轴承、齿轮箱轴承、发电机轴承等。伴随着风电机组的不稳定运转，会引发多种导致轴承失效的可能，其失效模式一般可分为疲劳、磨损、腐蚀、电蚀、塑性变形、开裂或断裂。

2.3.2 主轴润滑油封密封泄漏

风电机组的主轴作为传动系统中的关键部件，用于连接风轮和齿轮箱，其中包含的浮动轴承和止推轴承均存在油封密封易泄漏的问题，而选用了适当的油封不仅能够有效减少泄漏问题的发生，还极大地提高风机工作的稳定性和经济性。通过对工作经验的总结，影响泄漏的原因主要包括温度、颗粒物杂质、轴的振动以及偏心量的影响等。

2.3.3 齿轮箱常见故障

一是渗漏油，导致齿箱出现该类问题可能的原因包括空气滤芯器不畅通，箱体内外部存在压差，从而发生渗漏油故障；废油排除孔不通，废油堆积而出现渗漏油故障；端盖密封件损坏导致润滑油渗漏故障；液位太高或者压力过大均会导致渗漏油。二是齿轮箱外部元器件的损坏，PT100、压力表、加热器、液位传感器、压力传感器，这些均属于齿轮箱外部元器件且为易损毁部件。三是齿轮箱在运行过程中由于PT100异常、高速轴不对中、冷却风扇失效等引发的温度报警也为常见故障。除了上述齿箱故障之外，齿轮箱内部轴系间隙出现偏差、行星轮轴承失效、润滑系统非正常运转、齿轮箱支座失效也都在统计数据中较为常见。

2.4 发电机、变流器常见故障及原因分析

2.4.1 发电机常见故障

双馈电机主要由电机本体和冷却系统两大部分构成，电机本体一般由定子、转子与轴承系统构成。该种发电机在长期多变工况下运行和电磁环境中易发生下列故障。

一是发电机过温，常见的是轴承和转子温度高，造成发电机过温故障的主要原因，一般包括轴承缺油或间隙过小，致使轴承摩擦碰撞发生过温现象；轴承偏磨断裂和可能的转子轴弯曲也可能导致该故障；或者是磁片装配存在偏差，导致转子磁极和定子铁芯发生摩擦碰撞，也就是常说的扫膛现象；再或者是发电机定子线圈匝间短路、开路，或接线错误，使发电机内部产生短路电流。

二是发电机振动超限，其主要原因包括双馈发电机在运行过程中，转子由变流器提供稳定的电压并高速旋转，如果质心与旋转中心存在偏差就会产生离心力，导致机组振动，离心力越大，振动越强烈。或是发电机转子在正常工作时，如发生断条、脱落或不均匀磨损、结垢、绕组松动，这些因素都会导致转子质量不均衡，从而引发电机的抖动。此外，发电机定转子线圈短路、转子断条、绝缘层损坏也均为现场常见故障。

2.4.2 变流器常见故障

变流器主要由两部分构成，转子侧变流器和网侧变流器，二者独立控制。变流器在运行过程中常见的故障。一是Crowbar 电阻故障；二是IGBT 故障，其主要故障包括过流击穿和烧毁；三是其他易损元器件的烧毁，如继电器、接触器烧毁或控制回路、并网回路故障。

3 风电机组常见电气故障诊断方法

3.1 常见电气故障分类

风电机组的电气类问题故障，可按故障的特性、表象、成因或结果等加以划分。根据故障特性不同，分为硬件和软件两种类型；按照故障出现时有无提示，可划分成有诊断指示故障和无诊断指示故障；根据故障是否具有破坏性，可分为破坏性故障和非破坏性故障；依照故障产生的形式，也可划分整体性故障、随机性事故等。

3.2 常见电气故障诊断方法

风力发电机组作为一种高度智能化的系统，故障现象纷繁复杂。有经验的检修维护人员，可以利用对故障出现时各种异常现象的直接观察来排除故障原因，如根据空开、漏电保护开关、接触器、熔断器等元器件是否已动作，通过图纸查找故障位置，在必要时可以借助万用表或示波器等仪表，确认有无过流、过压、短路、超温以及不正常波形等。此外，还可以通过触碰电气元器件，判断有无松动，查找故障点位。利用这些直接观测的方式，能够迅速判断故障部位。而对较繁杂、缺乏外观异常特征的故障，可采取如下方式，以辅助分析并排除故障。

3.2.1 部件交换法

该办法是在剖析出发生故障大体原因的情况下，检修维护人员可利用整个系统中现有的同一种类的元件来进行替代疑点部分，以便于将出现故障区域范围缩小至某一元件。

3.2.2 接口状态检查法

风电机组中的变桨系统、变流系统、测风系统等数据采集监控系统都和PLC 之间存在数字量、模拟量、通信等多种接口信号形态。一些故障是和接口信息出错或丢失有关，这些故障状态信息能够通过对应的转换器、接口板、PLC 指示灯或HMI 调出和显示，从而通过查看接口数据状态来判断故障所在。

3.2.3 参数调整法

风电机组的一些参数如超速、振动、电压、温度等阈值可通过程序或HMI 等进行调整，以满足不同的操作工况和功能状态需要。这些参数，使得机组在并网运行后的各项功能实现最优化。所以，任何参数的改变都会一定程度上影响机组的动态特性、运行状态等。可以利用这个特点，在确保机组安全的前提下通过适当修改相关参数锁定或消除机组故障。

3.2.4 记录分析法

风机控制系统能够实时记录工作时各项动态技术参数以及发生故障前后一段时间内的技术参数，对故障数据分析及事件现场状况还原提供了数据信息真实性保障。风机故障数据快照功能可以为机组的维护和故障处理提供极大的便利，对风电机组的真正工作过程数据和发生故障前后的模拟量和开关量加以分析、鉴定，运行维护人员使用测量工具和相关软件就能够找到其中的规律性，以便于迅速判断故障特性，正确判断故障区域和具体问题元器件。通过上述方法基本可甄别风电机组常见的电气故障，并及时将其处理。

4 结语

本文重点介绍了风电机组常见机械、电气故障，故障原因及诊断方法。从文中可以看出，风电机组故障涉及面广，涵盖电气、机械、液压等多个学科领域。因此，掌握常见故障诊断方法，快速定位故障点，对于系统复杂的风电机组快速有效的排除故障，第一时间或提早发现系统的故障或隐患并进行维修和消除，提高风电机组和风场MTBF、TBA、PBA 等运行指标，对保证风场安全稳定运营具有重要意义。