许明星
北京市顺义区应急管理局 北京 顺义 101300
摘要：风能作为可再生能源，利用风能进行发电不但能够降低对资源的消耗，缓解我国资源紧张问题，而且可大大减少对环境造成的污染，为推动我国能源消费结构也作出了巨大的贡献。风力发电机是进行风能发电的核心设备，主要是将动能转化为机械能，然后再将机械能转换为电能。这一系列的过程需要通过发电机组内部所有元部件的共同配合完成，但是由于风电场一般都位于比较偏远的地区，发电机在运行过程中受环境影响较大，一旦发生故障，将会造成严重的经济损失。所以需要加强对风力发电机的故障预防工作，通过对发电机进行状态监测可以实时掌握发电机的运行状态，并且通过对状态监测获取的数据进行分析，能够为故障诊断提供有力的参考依据，既能够有效避免故障的发生，又能够缩短故障维修的时间，提高维修效率。
关键词：风力发电机；状态监测；故障诊断；技术分析
一、风力发电机诊测时会出现的问题
1.1通过发电机振动、温度和转速等诊断机械故障
发电机输出的电流、电压和功率如果不一样，那就和发电机的机械故障有密切的关系。高频振动一般都是由轴承故障引起的。高频故障的转速很高，达到一千多，要想获得轴承故障特征信号，可以通过振动传感器来取得轴承振动信号，然后对这一信号进行处理，以此解决机械故障中的轴承故障。对轴承故障的诊断可以使用峰值能量法、包络解调法、小波分析法以及基于快速傅立叶变换的故障诊断法。振动频率较低是因为轴系不对准、转子质量不平衡、机座松动等，要想获得这些信息，需要对振动的信号进行滤波、放大处理，然后进行傅立叶交换。在运行过程中也会出现发电机转子偏心故障和发电机定子和转子之间气隙不均衡的现象，这两个故障是由磨损和温度升高等原因造成的。谐波成分很重要，通过对发电机定子输出电流、电压、功率等信号中的谐波成分监测，可以诊断电机转子的偏心故障。当发电机转子和轴承不能正常运转时，可以通过不断的小波变换给发电机的输出功率发出信号。一旦发生了不太严重的机械故障，气隙振动也会被发电机转轴的振动引发，然后发电机转子与定子间气隙磁通出现不平衡。定子的电流解析能够解决转轴的振动故障。
1.2电气故障发出信号的控制
首先对一些参量的信号开展测验，发出的信号有发电机定子的线圈温度、定子的电压、定子与转子的电流、发电机输出功率以及转子转速等，然后对其进行处理，最后进行识别。要想找到电气不运作的原因，可以使用定子电流检测方式、一小部分放电的监测方式、振动检测法等。转子或定子线圈短路故障根据研究发现是发电机转子、定子线圈绝缘损坏引起的，包括匝间短路、相间短路、层间短路等问题，所以，短路故障监测和诊断是研究的重点。为了监测发电机的状态，可以对电压、电流和转子扭矩进行检测。要想对发电机状态实施更全面的监测，还可以对大气温度和大气压力等进行测量。
在转子电流信号中会出现故障谐波分量，这是由于发电机定子出现了匝间短路，定子电流的对称性被打破，生成一个反向的旋转磁场。对于发电器每匝之间短路事件的检测包括负序的电流、电流的谐波成分、电流Park的矢量运行路距等。在短路匝数比较少时，定子电流变化量微小，这种情况很难检测出谐波成分。定子单相、双相、三相的短路这3种情况被称作相间的短路现象。要想更好地识
别发电机的相间短路故障，可以采集发电机的电流、温度和振动等信息。采集和相间短路有很大联系，当发生相间短路时，采集就会产生变化。
二、风力发电机的故障诊断
2.1叶片的故障诊断
叶片是风力发电机获取风能的重要元件，如果叶片出现故障，将会导致风力发电机失去对风能的获取，更遑论电能的转换了。为保障对风能的高效获取，风力发电机研发工作中，叶片的设计体积较大，这就给故障诊断人员的工作带来了极大的难题。与此同时，风力发电机的叶片长期暴露于外部环境中，受外在因素影响较为严重，极易出现腐蚀、损坏等故障，造成风力发电机发电性能的降低。在不同的运行状态下，叶片的受力状况也有所差异。因此，现阶段对风力发电机叶片的故障检测大多是通过对叶片的受力状况的分析来完成的。风力发电机故障检测人员，利用光线光栅传感器对叶片的受力状况信息进行采集，从而判断风力发电机的叶片是否出现故障。
2.2发电机的故障诊断
发电机是风力发电机的重要组成部件，可以将风能带来的机械能转换为电能，从而实现电力能源的生产，可以说发电机是风力发电机的心脏。在发电机的运行过程中，各部件长期处于变工状和电磁环境中，磨损程度不断加剧，发电机的使用寿命也在不断缩短，造成风力发电厂运行成本的增加。常见的发电机故障主要有：震动幅度大、电机温度高、定子线圈短路等。风力发电厂故障诊断人员通过获取的定子电流信号数据，对发电机的故障范围进行判定，极大的提升了发电机故障的排除效率。除此之外，部分故障检测人员还提出了其他的故障诊断技术，但由于其不能帮助故障检测人员缩小发电机故障的搜寻范围，无法得到广泛的普及。
2.3齿轮箱的故障诊断
风力发电机齿轮箱的内部结构较为精密，一旦齿轮箱内部某一元件出现问题，将会影响整个齿轮箱的运转，进而影响电能的转换效率。在风力发电机齿轮箱的运行过程中，常见的故障主要包括：轴承故障、齿轮故障、润滑系统故障等。由此可见，齿轮箱故障的发生概率较大，故障诊断人员应将齿轮箱的故障诊断工作作为自身工作的重点，加强对齿轮箱故障的监测力度。故障诊断人员应利用震动诊断法、温度诊断法等方式，对齿轮箱的运行过程进行监测，通过齿轮箱震动幅度的变化或是温度的差异对齿轮箱是否发生故障进行判定，极大的提升了齿轮箱故障的诊断效率，降低了齿轮箱故障的诊断成本和诊断难度。
2.4电气系统的故障诊断
风力发电厂向外输出电能的多寡，主要是由电气系统决定的。一旦，风力发电机电气系统出现故障，将会影响电气系统的控制效果，导致风力发电厂输出电能过多或过少，影响风力发电厂的长远发展。电能输出过多，将会造成电能的浪费，影响风力发电厂的经济效益；电能输出过少，将无法满足众多电力用户的实际用电需求。因此，风力发电厂故障诊断人员应重视，对风力发电机电气系统的检测与诊断，全面保障风力发电厂的高效运营。风力发电机故障诊断人员应利用性能参数监测，对电气系统的输出电能各项数据进行监测，由此判断电气系统是否发生故障。
三、结束语
因为风力发电机的组件检修较为繁琐，加之运行环境比较恶劣，所以为发电机维修增加一定的困难。计划检修和停机检修是发电机维护的主要手段，但却会提高维修成本，并且会因为拆装等环节增加不必要的故障隐患。为了提高发电机运行的可靠性和稳定性，利用状态监测和故障诊断技术可有效监测出传动系统和发电机系统的内部故障，减少因为非计划停机和定期维修等产生的维修成本。同时通过对发电机进行的状态监测能够比较全面而详细地获取发电机运行过程中的各项数据，在对这些数据进行分析整理后，可有针对性的进行优化设计，并且做好各项防范措施，减少发电机发生故障的几率，提高风力发电的效率和质量。
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