风电变流器预防性维护检测技术应用

随着近十年来我国风电产业的持续快速发展，越来越多通过变流器并网的风电机组逐步跨入寿命过半行列并开始暴露出一系列变流系统的部件老化失效问题。

为了有效减少和避免由于变流器劣化造成的停机故障及重大事故，中广核新能源控股有限公司的研究人员董礼、许伟，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，重点归纳总结了风电变流器的劣化因素，指出在传统风电定期检修的基础上开展预防性维护检测，通过甄别提炼有效的状态监测量来及时识别设备的劣化状态。

作者还基于预防性维护原理详细阐述了红外检测技术和超声波检测技术在风电变流器关键部件方面的状态监测应用，并总结展望了其应用前景。

自从20世纪90年代开始，为了促进风电并网的快速发展，国家推出了一系列风电发展支持政策，尤其是2005年初的《中华人民共和国可再生能源法》，极大地鼓舞了各方投资者和风电供应商的开发热情，市场上的主流产品迅速从定桨距恒速恒频风电机组升级为以变流器为核心的变桨距变速恒频风电机组，并随之在2007—2010年迎来了我国风电并网的首个小高峰。

时至今日，当年大规模投入运行的双馈及直驱风电机组已经寿命过半，其变流器系统各部件都呈现出不同程度的老化，从而造成难以察觉的安全隐患，严重时甚至引发电气火灾。如图1和图2所示，2017年12月和2019年7月内蒙区域的两台双馈风电机组变流器着火后分别导致功率模块和直流电容完全烧毁。

通过对现场运行数据、故障记录及现场勘测的综合分析表明，故障发生前的风电机组运行工况正常，但分别由于并网断路器内部短路和网侧熔断器底座老化过热（超过10年），最终引发机舱火灾。

鉴于早期大规模集中式风电开发的快速发展，目前越来越多的风电机组逐渐进入老化故障期，针对上述风电变流器内部器件劣化引发的电气火灾，有必要开展有效的状态监测和隐患排查。

图1  变流器功率模块IGBT烧毁

图2  变流器直流母排电容烧毁

1  劣化因素分析

风电机组运维过程中的故障统计数据分析表明，造成风电变流器劣化的主要因素可以归结为以下几方面：

1）电气因素

因风电机组故障或超发引起的变流器过电流造成其内部导体和绝缘材料局部过热老化；过负荷分合断路器和接触器时因电弧火花造成的触头氧化及接头烧蚀；因操作过电压、雷电过电压造成绝缘强度下降；因绝缘材料局部放电造成的单点破坏逐渐扩大，导致整体绝缘的全面劣化。

2）机械因素

长期高电压大电流工况下因高频次分合断路器和接触器等造成的触头磨损、弹簧疲劳及线圈老化；因变流器本身或受外部的机械应力造成的螺栓松动及接触不良甚至器件磨损变形；因风电机组长期运行过程中难以避免的振动、冲击等反复作用造成的疲劳劣化。

3）发热因素

因过负荷、短路电流、高频电流引起变流器内部器件的膨胀、收缩、变形、松弛从而造成接头松动、弹性失效、密封不良等；因温升过高使绝缘材料热分解、氧化等化学变化造成绝缘性能降低；因过负荷、内部短路以及操作电气开关时产生的电弧造成部分材料变形甚至烧蚀。

4）环境因素

风电变流器所处环境相对恶劣，因高温发热、盐雾潮湿、灰尘油污以及紫外线辐射等都无法估计，造成其内部接头部位接触不良、器件连接点氧化腐蚀以及绝缘材料变质老化；因老鼠、白蚁等小动物咬坏电缆、浸水等造成的破损。

2  风电变流器的预防性维护检测

目前，行业内对风电变流器的状态监测尚无明确的具体规定和参考数据，通常都是在运维过程中以变流器供应商根据自身设备特点提供的设备参数为基础，结合风电机组的运行环境和运行工况来制定定期检修方案。

然而，在实际的风电运维过程中，这种定检模式很难及时发现尚未呈现失效状态的故障征兆，并且还容易造成维护不足或过度维修。因此，为了提前排除故障隐患，减少故障停机损失，降低维修费用并提高设备的有效利用率，有必要在定期检修的基础上开展风电变流器的预防性维护检测，以确保风电机组的安全稳定与经济运行。

2.1  预防性维护原理

从上面的分析可以看出风电变流器的劣化失效大部分表现为绝缘材料的破损击穿与老化变质以及导体材料的氧化腐蚀与磨损变形，这些劣化状态基本都随着时间的积累而不断加剧，直至最后的功能失效。

由此，风电变流器中这些有慢性耗损特征的内部器件，其功能性故障通常不会在一瞬间发生，而是有一个相对长期的渐变发展过程，如果在其逐渐劣化的演化过程中能够发现其中可识别的状态量，在其出现真正的功能故障之前用以表征潜在故障正处在萌芽状态或正在劣化过程中，则可以开展预防性维护来提前排查故障。

图3  预防性维护示意图

通常情况下，风电变流器的设计寿命为30年，并满足不少于20年的使用寿命，但由于其应用环境普遍恶劣、运行工况相对多变且内部器件性能各异，往往会造成部分器件偏离设计之初的自然劣化曲线。当器件出现潜在故障时，虽然功能状态有所下降，但考虑到电气设计时通常具备一定安全裕量，只要器件的主体功能与安全参数仍然达标，就可以继续正常使用。

具体以图3来说明：ADF为自然劣化曲线，ABCE为异常劣化曲线，A点为器件劣化发生的初始点，B点为能够检测到器件劣化的定损点，C点为器件需要及时维修保养的准故障点，D点为器件维修保养后的恢复点，T为状态监测的时间间隔。

在器件出现潜在故障时会在A点开始偏离ADF曲线，并沿着ABCE曲线进入功能下滑状态，如果没能在BC段及时检测发现并成功修复，则会错过最佳止损点，并且在C点之后器件劣化速度加快，直至功能失效从而引发变流器故障，严重时甚至带来致命性的电气事故。

如果通过有效的状态监测，能够在BC段及时检测出该潜在故障并成功修复，则能够有效避免功能性故障及其后果，从而实现预防性维护。

2.2  预防性维护检测技术

通过对国内外风电变流器在运行过程中发生的电气事故进行统筹分析，尤其是电气火灾事故，按照其形成机理通常可以分为过热型和放电型两类。

其中，过热型隐患的基本特征是内部器件、线路电缆以及电气接头等部位异常发热，当累积到一定程度时会引燃绝缘材料及附近的可燃物，产生烧蚀甚至火灾事故；放电型隐患的基本特征是密封器件劣化受损或绝缘材料受潮受损，并伴随着游离放电或电晕现象，当累积到一定程度时会造成绝缘击穿，产生电火花或电弧甚至造成事故。

上述这两种故障隐患，通常难以通过传统的电气检测方法在其初发期及时发现，但随着红外检测和超声波检测技术逐渐成熟，能够在不停电的情况下有效地发现设备的早期缺陷，并对故障部位、性质和成因进行定性分析，大大提高了设备的供电可靠性和运行可靠性。

1）红外检测技术

对于过热型隐患，可以利用红外检测设备对工作状态下的风电变流器进行测量，比较典型的主要有红外测温仪、红外热像仪和红外热电视，其中最具备智能故障诊断开发能力的是红外热像仪，其基本原理是利用红外探测器和光学成像物镜，接收被测目标的红外辐射能量分布图形，并将其反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，并利用不同的颜色代表被测物体的不同温度，然后应用图像处理技术，分析出设备的运行状态。

2）超声波检测技术

对于放电型隐患，可以利用超声波检测设备对工作状态下的风电变流器进行测量，比较典型的有超声波局部放电检测仪，其基本原理是利用外差法将电气局部放电所产生的高频噪声通过压电原理先行转化为电流信号，然后再通过内部处理将其转化为人耳可听的音频信号，并在通过高频接收器接收电气设备产生的超声波信号时对其音质和强度进行分析，这样可以快速检测出放电现象并精确定位故障点，从而及时发现设备内部的隐患缺陷。

3  风电变流器预防性维护检测方案

风电变流器中每个器件在系统中的任务和功能不一样，使得其动作频次和工作负荷都不相同，对系统的重要程度也不一样，出现故障时对系统影响也不相同。经研究分析直驱风电机组和双馈风电机组的变流器主回路，结合上述红外检测技术和超声波检测技术的成熟度和可行性，重点检测以下部件：

1）断路器

主断路器是风电机组与电网线路连接的核心保护器件，对整个机组起到安全保护作用。目前主断路器基本具备计数功能，但由于断路器在故障时会带大电流分断，导致内部绝缘下降，动作次数只能作为参考，可以通过红外技术检测其内部动静触头及外部接头处的温度分布来判断是否接触不良，通过超声波检测技术检测断路器灭弧室是否存在局部放电。

2）熔断器

风电变流器的预充电回路、直流母线回路以及卸荷回路等多处串接有熔断器，主要用于在过电压、过电流或过负荷发热时通过快速熔断来防止故障扩散。如果熔断器使用时间过久，因盐雾腐蚀、脏污氧化或温度变化等使熔体特性变化而发生误断。

或者灭弧介质受到环境影响而受潮导致灭弧性能受损，分断电流能力下降，在红外检测中会表现为熔断器和熔体表面的温度值较正常值偏高，可以通过提取最高温度值，与相邻相的同类熔断器进行比较。可以通过超声波检测技术来检测熔断器的接线端子是否存在局部放电。

3）接触器

交流接触器由于具备频繁地接通或分断交流电路的能力而广泛应用于风电变流器的网侧、定子侧以及预充电回路。如果在供电电压过高，操作过于频繁，环境温度过高，接触器铁心端面不平，接触器动铁心有机械故障造成通电不吸合，接触器内部触头接触不良等情况下，会出现接触器线圈过热或者触点过热等现象，利用红外热像仪可以对其内部发生的过热故障进行全面检测，并通过所呈现的温度场分布来进行定性分析甚至定量诊断。

同时由于风电机组在运行过程中接触器动作的频繁性，其内部触点在断开与闭合时也会引起气隙的频繁击穿甚至产生火花，当累积到一定程度时就会造成高温烧蚀而损伤，严重时会导致接触器被烧毁甚至引发电气火灾。可以通过超声波探测仪监测这些肉眼难以察觉的放电火花，并精确地定位放电部位并明确缺陷类型，为接触器的状态检修提供有力的数据指导。

4）电阻器

风电变流器中为了防止主接触器闭合后直流母线的支撑电容瞬间短路，通常设置了预充电电阻用于直流母线预充电；同时，为了保障风电机组在电压跌落的一定范围内能够不间断并网运行，低电压穿越回路上通常配置Crowbar电阻用来平衡有功并保护机组。如果电阻器内部出现接触不良，或者引线松动、脱落甚至断裂等造成阻值变化或者断路时都会呈现出热效应的非正常现象，可以通过红外热成像技术检测出其是否正常。

5）电抗器

在风电变流器的网侧和机侧都存在电抗器，在实际运行过程中，电路的过流和过压等都可能导致电抗器的损坏。数据统计表明，电抗器的高温部位往往就是其相对薄弱的易损部位，这主要是因为温度相对于振动、电应力等内部因素以及有害气体、潮湿、灰尘等外部环境因素对其绝缘材料和绝缘结构劣化所起的影响更占主导性，由此可以通过红外热成像技术检测其温度分布来进行预测性评估。此外，电抗器绕组绝缘破损或受潮引起的漏电现象还可以通过超声波检测进行提前预警。

6）电容器

滤波电容和直流母线电容是风电变流器中的主要电容器件，其主要失效模式表现为电容值下降和漏电流过大。在正常工作温度和运行电压条件下，其漏电流非常小，电容器发热也极小；但如果电容器开始劣化时，其漏电流则会逐渐变大，电容器发热也明显增大。

由此利用红外检测技术监测其温度分布规律和变化趋势可以检测出电容器在漏电流超标时的潜在故障，从而有针对性地安排视情维修以消除潜在故障，在发生功能故障之前进行预防性检修。对于电容器的潜在故障具体温度范围，可以结合实际工程应用进行归纳和总结。

7）功率模块

功率模块是风电变流器最重要的功率部件，但由于风电机组出力的随机性，其运行功率也会频繁波动，在正常工况下功率模块也长期承受重复性的结温波动，当累积到一定程度时就会造成功率模块失效，尤其是在过负荷、过电流或过电压情况下，更是加速其劣化，从而造成IGBT击穿或烧毁。

研究表明，随着温度升高，功率模块的失效率将会呈现指数增长的趋势。温度每升高10℃时，变流器失效率会增大一倍以上。由此可以通过红外热成像技术，将功率模块运行情况下的温度分布规律和发展趋势进行记录分析。

8）电缆接头

风电变流器的动力电缆接头众多，鉴于现场相对恶劣的运行环境和运维条件，经常会出现由于电缆接头部位的接触不良而造成局部发热异常。对于此类故障，可以通过红外检测技术结合相对温差法来定位故障点甚至判断其严重程度。尤其是利用红外热图像，可以直观显示出其具体过热部位的准确位置，以便于及时有效地排除故障隐患。

4  结论

红外检测技术和超声波检测技术可以作为风电变流器预防性维护的重要检测技术，尤其是对开展风电变流器状态监测具有重要意义。

1）红外检测和超声波检测技术符合应用为先的状态监测指导方针，采用非接触式带电检测，是常规停电检测的有益补充，有助于及时发现变流器设备的电气故障隐患。

2）运用红外检测和超声波检测技术对风电变流器关键电气部件进行隐患检测和故障诊断，具有较高的准确度和灵敏度，隐患排查推断相对简单明晰，适合于在风电系统中推广应用。

3）风电变流器中众多部件的各种故障类型分别具有各自典型的红外图谱特征和超声波音频特征，应系统组织相关验证性测试并结合历史数据和现场数据进行综合分析提炼。

4）针对风电变流器的现场检测实施，应该在现有定检运维的基础上针对红外检测和超声波检测逐步探索其定制化的运检方案，并结合现场实践进一步积累经验，以提高预防性维护检测的可靠性与准确性。