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图1 双馈型风力发电机基本结构
风电装备长期在阵风等复杂交变载荷作用下全天候运行,恶劣服役环境严重影响了风电装备的运行安全和维护保障。交变载荷作用于风电叶片上,并通过传动链中的轴承、轴、齿轮、发电机等部件进行传递,使得传动链在服役过程中极易出现故障。目前,广泛配备在风电装备上的监测系统为SCADA系统,可对风电装备的运行状态实现电流、电压、并网情况等多种情况监测,并具有报警和报告等功能;但该系统监测的状态参量有限,以电流、电压、功率等信号为主,尚缺乏针对关键零部件的振动监测与故障诊断功能[3-5]。国外特别是西方发达国家很早就开发了专门用于风电装备的状态监测设备及分析软件。国内的振动监测技术虽起步较晚,但在国内巨大风电远程运维市场需求的推动下,国产监测系统的开发也进入到快速发展阶段。风电装备的智能故障诊断及预警防护可实现风电运维的降本增效,已经获得了风电行业的一致共识。
2、风电装备主要故障特点
风电装备是一个复杂的机电系统,由转子(叶片、轮毂、变桨系统等)、轴承、主轴、齿轮箱、发电机、塔架、偏航系统、传感器等组成。风电机组各部件在服役过程中承受交变载荷,随着服役时间的增加,出现各种类型的损伤或故障在所难免。
图2 风电装备各部件维修费用比率
图3 风电装备各部件停机时间比率
从图2、图3[6]中可见,叶片、齿轮箱、发电机三者导致的停机时间在总体非计划停机时间中占比超过87%,且维修费用在总维修费用中占比超过3/4。因此,在风电机组的状态监测、故障诊断与健康管理中,叶片、齿轮箱、发电机是需要重点关注的三大部件。中国可再生能源学会风能专业委员会在2012年的一项针对全国风电设备运行质量的调查中指出[6],风电叶片的故障类型主要包括开裂、雷击、折断等,而产生故障的原因包括设计、生产、制造、运输过程引入以及服役阶段的自身及外部因素。齿轮箱的主要作用是将低转速风能稳定地用于发电,提高主轴转速。在风电机组运行期间,齿轮箱较易因受到交变应力及冲击荷载等影响而发生故障[7]。齿轮箱的常见故障包括齿轮故障和轴承故障,齿轮箱故障多始发于轴承。轴承作为齿轮箱的关键部件,其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。轴承故障主要包括疲劳剥落、磨损、断裂、胶合、保持架损坏等[8],其中疲劳剥落和磨损是滚动轴承最常见的两种故障形式。最常见的齿轮故障包括磨损、表面疲劳、破损和折断等。发电机系统的故障分为电机故障和机械故障[9]。机械故障主要包括转子故障和轴承故障。转子故障主要包括转子不平衡、转子破裂和胶套松动等。电机的故障类型可分为电气故障与机械故障,其中电气故障包括转子/定子线圈短路、转子断条导致的断路、发电机过热等;机械故障包括发电机振动过大、轴承过热、绝缘损坏、磨损严重等。
3、风电装备故障
诊断与健康监测
3.1 复合材料风电叶片
图4 风电机组事故统计
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