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摘要：随着国内风力发电容量增加，风力发电机故障较为常见。文中分析锋利发电机特点，探讨风力发电机绝缘失效原因，结合实际情况给出解决绝缘失效问题的措施，保证风力发电机正常运行。
关键词：风力发电机；绝缘失效；改进措施
近年来，随着技术成本不断优化和价格竞争力逐年提升，风力发电全球装机范围不断扩大、容量也实现快速增长。然而，风电机组装机环境随之变得复杂、多样和严酷，这给发电机绝缘系统的可靠性带来了严峻挑战。
1、风力发电机运行原理
双馈感应发电机的结构与绕线式感应发电机类似，根据电机学原理可知，其定子和转子上都是对称的三相绕组，其定子绕组和普通交流电机的定子相似，转子绕组上另加有滑环和电刷，从而转子侧的能量可实现双向流动，可以输入和输出电能，所以称为双馈感应电机。
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图1 双馈风力发电机组原理
双馈风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、交流励磁双馈感应发电机和双向PWM变换器等部分组成。其具体结构如图1所示。双馈感应发电机的定子绕组直接与电网连接，则转子绕组需经过变换器，再接一个幅值、相位、频率可调节的三相电源。双向PWM网侧的变换器主要输入网侧单位功率因素，不从电网吸收无功功率以此减少谐波，并且能够保证直流电压稳定；DFIG的励磁控制则需转子侧变换器来实现，其跟踪最大风速，通常需按定子磁链定向来完成控制。其控制功率因素的同时，也实现了对有功功率和无功功率的分别控制。
当外界条件改变，风速发生波动时，通过齿轮箱，双馈电机的转速 将发生变化。若将 进行调整，就能保持 恒定。若定子频率与电网频率相等，从而双馈感应发电机就可实现恒定频率控制。同时双馈感应电机有三种工作方式：当转子机械旋转角速度低于同步转速时，其处于亚同步运行，式（1）取正号，此时变流器向转子输入有功功率，给予正序励磁，则变流器从电网吸收能量；当转子的机械旋转角速度高于同步转速时，其处于超同步运行，式（1）取负号，此时变流器从转子吸收有功功率，给予反序励磁，则变流器为电网回馈直流侧的能量；当转子的机械旋转角速度与同步转速相等时，其处于同步运行状态。
2、风力发电机绝缘失效原因分析
2.1 高频脉冲的影响
采用高速永磁或直驱永磁技术的发电机定子、以及双馈发电机的转子与变流器直接相连，绕组匝间绝缘、对地绝缘都承受了较为苛刻的电应力。与正弦电压相比，变频器输出的脉冲方波在绕组绝缘上产生的电应力主要有两点不同：一是脉冲电压在线圈上分布不均，尤其目前很多机组采用变流器置于塔底的设计，极大增加了机侧电缆长度，绕组首末匝线圈因此可能承受最高80%的过电压幅值，远超平均匝间电压的10倍以上；二是电压幅值、形状、极性等有很大差异，高频脉冲方波更易引起绝缘内部产生局部放电，诱发介质损耗发热、空间电荷和臭氧氧化效应，提高聚合物材料的老化分解速度，进而导致绝缘过早失效击穿
2.2 潮湿的影响
风力发电机属户外运行电机，因运行气候条件恶劣，防护等级低等原因，绕组容易受潮，部分案例甚至出现被雨水淋湿的极端情况。电机设计、绝缘工艺处理不当，或绝缘过早老化，结构内部将会产生间隙、微孔或分层。此时，因扩散或“呼吸”作用，潮湿空气渗入绕组，将会威胁电机安全运行。
以大型永磁直驱风力发电机为例，对其结构特点进行了总结，认为下述几个问题容易导致绝缘出现薄弱环节：（1）定子线圈数量多、节距小；（2）嵌线、并头、连线空间狭小、操作不便；（3）定子体积大、转运困难导致VPI滴漆时间延长。以上3个特点导致直驱发电机定子绝缘处理工作量大、一致性难以保证，对产品的批量制造质量控制和长期稳定运行增加了不小的难度。
2.3 温度交变的影响
由于风资源的不稳定性，风机频繁启停和昼夜温差产生的温度交变、冲击将会带来周期性的热机械应力作用，严重影响发电机绝缘系统的整体性。特别在机组大型化趋势下，电机轴向长度加长，金属及绝缘材料热膨胀系数不匹配带来的影响会导致上述问题进一步加剧。
认为热机械应力周期作用促使绕组绝缘树脂粘结力降低，绝缘层间分层、周向裂纹，绕组变形引起机械损伤等老化现象发展并累积，最终完全破坏绝缘。同时，标准规定了一个温度交变循环试验（通常要求开展500周期以上），用以验证绝缘结构对热机械应力老化的抵抗能力。
3、风力发电机绝缘失效的解决措施
3.1 材料优化
从风力发电机普遍采用变频器供电的角度考虑，设计时需要强化匝间绝缘材料的耐电晕性能。采用成型绕组的兆瓦级风力发电机匝间绝缘通常采用耐电晕薄膜烧结或云母带绕包两种设计。得益于材料廉价、起晕电压高和耐电晕寿命长等优点，云母绕包设计应用相对更为广泛，适合风力发电机这种对匝间绝缘减薄要求不高的领域。此外，发电机绝缘性能在很大程度上也取决于所选VPI树脂体系。从目前风电制造行业使用最多的３种主流VPI树脂体系：聚酯亚胺、环氧树脂以及环氧改性不饱和聚酯的性能对比看，后者克服了环氧树脂耐热低的缺点，粘接强度和机械性能又比聚酯亚胺具有优势，有助于绝缘结构抵抗因温度交变产生的热机械应力老化作用，在风电行业具有更大应用潜力。
3.2 结构优化
对离岸型风机，盐雾腐蚀绝缘结构主要通过两个途径，一种是从绝缘结构通道（如气隙等）进入，由内而外腐蚀铁心及绝缘；另一种是突破绝缘表面防护，从外到内对绝缘和冲片进行腐蚀。对前者来说，可以通过改善VPI浸漆效果（如采用两次VPI浸漆工艺等），减少绝缘结构性通道和孔隙；而对于后者来说，在发电机定转子表面涂覆具有耐盐雾腐蚀作用的绝缘涂料（氟硅橡胶、氟碳磁漆等），可以显著提高发电机绝缘结构的耐盐雾性能，最终提高绝缘结构整体性和发电机长期运行的可靠性。
3.3 加强质量管控
风力发电机产品制造过程尤其是VPI浸漆过程中产生的质量缺陷，是造成产品绝缘故障比例偏高的主要因素之一。通过制定有效的验收方法和标准，如淋水／浸水试验等，可以及时暴露发电机绝缘的薄弱环节，是检验和控制产品质量分散性的有效手段。具体措施是：试验用水加入非离子型润湿剂，然后定子按规定时间和次数间断淋水，或连续2h浸水，使用兆欧表测试并记录样品的1min绝缘电阻，淋水高于500 MΩ或浸水高于50 MΩ即为合格。
结语
由于装机运行环境恶劣及风资源的不稳定性，户外运行的风力发电机绝缘故障有其产品特殊性。本文通过调研，总结了风机运行时包括脉冲电压、潮湿、温度交变和盐雾在内的典型工况参数，分析了上述因素对发电机绝缘系统的影响和故障发展机理。在此基础上，针对绝缘薄弱环节，从材料选择、结构设计、质量管控等方面提出了一些优化改进建议。
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