自從20世紀(jì)90年代開始，為了促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)的快速發(fā)展，國家推出了一系列風(fēng)電發(fā)展支持政策，尤其是2005年初的《中華人民共和國可再生能源法》，極大地鼓舞了各方投資者和風(fēng)電供應(yīng)商的開發(fā)熱情，市場上的主流產(chǎn)品迅速從定槳距恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組升級為以變流器為核心的變槳距變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，并隨之在2007—2010年迎來了我國風(fēng)電并網(wǎng)的首個(gè)小高峰。

時(shí)至今日，當(dāng)年大規(guī)模投入運(yùn)行的雙饋及直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)壽命過半，其變流器系統(tǒng)各部件都呈現(xiàn)出不同程度的老化，從而造成難以察覺的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。如圖1和圖2所示，2017年12月和2019年7月內(nèi)蒙區(qū)域的兩臺雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器著火后分別導(dǎo)致功率模塊和直流電容完全燒毀。

通過對現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障記錄及現(xiàn)場勘測的綜合分析表明，故障發(fā)生前的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況正常，但分別由于并網(wǎng)斷路器內(nèi)部短路和網(wǎng)側(cè)熔斷器底座老化過熱（超過10年），最終引發(fā)機(jī)艙火災(zāi)。

鑒于早期大規(guī)模集中式風(fēng)電開發(fā)的快速發(fā)展，目前越來越多的風(fēng)電機(jī)組逐漸進(jìn)入老化故障期，針對上述風(fēng)電變流器內(nèi)部器件劣化引發(fā)的電氣火災(zāi)，有必要開展有效的狀態(tài)監(jiān)測和隱患排查。

圖1 變流器功率模塊IGBT燒毀

圖2 變流器直流母排電容燒毀

1 劣化因素分析

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維過程中的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，造成風(fēng)電變流器劣化的主要因素可以歸結(jié)為以下幾方面：

1）電氣因素

因風(fēng)電機(jī)組故障或超發(fā)引起的變流器過電流造成其內(nèi)部導(dǎo)體和絕緣材料局部過熱老化；過負(fù)荷分合斷路器和接觸器時(shí)因電弧火花造成的觸頭氧化及接頭燒蝕；因操作過電壓、雷電過電壓造成絕緣強(qiáng)度下降；因絕緣材料局部放電造成的單點(diǎn)破壞逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致整體絕緣的全面劣化。

2）機(jī)械因素

長期高電壓大電流工況下因高頻次分合斷路器和接觸器等造成的觸頭磨損、彈簧疲勞及線圈老化；因變流器本身或受外部的機(jī)械應(yīng)力造成的螺栓松動(dòng)及接觸不良甚至器件磨損變形；因風(fēng)電機(jī)組長期運(yùn)行過程中難以避免的振動(dòng)、沖擊等反復(fù)作用造成的疲勞劣化。

3）發(fā)熱因素

因過負(fù)荷、短路電流、高頻電流引起變流器內(nèi)部器件的膨脹、收縮、變形、松弛從而造成接頭松動(dòng)、彈性失效、密封不良等；因溫升過高使絕緣材料熱分解、氧化等化學(xué)變化造成絕緣性能降低；因過負(fù)荷、內(nèi)部短路以及操作電氣開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電弧造成部分材料變形甚至燒蝕。

4）環(huán)境因素

風(fēng)電變流器所處環(huán)境相對惡劣，因高溫發(fā)熱、鹽霧潮濕、灰塵油污以及紫外線輻射等都無法估計(jì)，造成其內(nèi)部接頭部位接觸不良、器件連接點(diǎn)氧化腐蝕以及絕緣材料變質(zhì)老化；因老鼠、白蟻等小動(dòng)物咬壞電纜、浸水等造成的破損。

2 風(fēng)電變流器的預(yù)防性維護(hù)檢測

目前，行業(yè)內(nèi)對風(fēng)電變流器的狀態(tài)監(jiān)測尚無明確的具體規(guī)定和參考數(shù)據(jù)，通常都是在運(yùn)維過程中以變流器供應(yīng)商根據(jù)自身設(shè)備特點(diǎn)提供的設(shè)備參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行工況來制定定期檢修方案。

然而，在實(shí)際的風(fēng)電運(yùn)維過程中，這種定檢模式很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)尚未呈現(xiàn)失效狀態(tài)的故障征兆，并且還容易造成維護(hù)不足或過度維修。因此，為了提前排除故障隱患，減少故障停機(jī)損失，降低維修費(fèi)用并提高設(shè)備的有效利用率，有必要在定期檢修的基礎(chǔ)上開展風(fēng)電變流器的預(yù)防性維護(hù)檢測，以確保風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.1 預(yù)防性維護(hù)原理

從上面的分析可以看出風(fēng)電變流器的劣化失效大部分表現(xiàn)為絕緣材料的破損擊穿與老化變質(zhì)以及導(dǎo)體材料的氧化腐蝕與磨損變形，這些劣化狀態(tài)基本都隨著時(shí)間的積累而不斷加劇，直至最后的功能失效。

由此，風(fēng)電變流器中這些有慢性耗損特征的內(nèi)部器件，其功能性故障通常不會(huì)在一瞬間發(fā)生，而是有一個(gè)相對長期的漸變發(fā)展過程，如果在其逐漸劣化的演化過程中能夠發(fā)現(xiàn)其中可識別的狀態(tài)量，在其出現(xiàn)真正的功能故障之前用以表征潛在故障正處在萌芽狀態(tài)或正在劣化過程中，則可以開展預(yù)防性維護(hù)來提前排查故障。

圖3 預(yù)防性維護(hù)示意圖

通常情況下，風(fēng)電變流器的設(shè)計(jì)壽命為30年，并滿足不少于20年的使用壽命，但由于其應(yīng)用環(huán)境普遍惡劣、運(yùn)行工況相對多變且內(nèi)部器件性能各異，往往會(huì)造成部分器件偏離設(shè)計(jì)之初的自然劣化曲線。當(dāng)器件出現(xiàn)潛在故障時(shí)，雖然功能狀態(tài)有所下降，但考慮到電氣設(shè)計(jì)時(shí)通常具備一定安全裕量，只要器件的主體功能與安全參數(shù)仍然達(dá)標(biāo)，就可以繼續(xù)正常使用。

具體以圖3來說明：ADF為自然劣化曲線，ABCE為異常劣化曲線，A點(diǎn)為器件劣化發(fā)生的初始點(diǎn)，B點(diǎn)為能夠檢測到器件劣化的定損點(diǎn)，C點(diǎn)為器件需要及時(shí)維修保養(yǎng)的準(zhǔn)故障點(diǎn)，D點(diǎn)為器件維修保養(yǎng)后的恢復(fù)點(diǎn)，T為狀態(tài)監(jiān)測的時(shí)間間隔。

在器件出現(xiàn)潛在故障時(shí)會(huì)在A點(diǎn)開始偏離ADF曲線，并沿著ABCE曲線進(jìn)入功能下滑狀態(tài)，如果沒能在BC段及時(shí)檢測發(fā)現(xiàn)并成功修復(fù)，則會(huì)錯(cuò)過最佳止損點(diǎn)，并且在C點(diǎn)之后器件劣化速度加快，直至功能失效從而引發(fā)變流器故障，嚴(yán)重時(shí)甚至帶來致命性的電氣事故。

如果通過有效的狀態(tài)監(jiān)測，能夠在BC段及時(shí)檢測出該潛在故障并成功修復(fù)，則能夠有效避免功能性故障及其后果，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。

2.2 預(yù)防性維護(hù)檢測技術(shù)

通過對國內(nèi)外風(fēng)電變流器在運(yùn)行過程中發(fā)生的電氣事故進(jìn)行統(tǒng)籌分析，尤其是電氣火災(zāi)事故，按照其形成機(jī)理通常可以分為過熱型和放電型兩類。

其中，過熱型隱患的基本特征是內(nèi)部器件、線路電纜以及電氣接頭等部位異常發(fā)熱，當(dāng)累積到一定程度時(shí)會(huì)引燃絕緣材料及附近的可燃物，產(chǎn)生燒蝕甚至火災(zāi)事故；放電型隱患的基本特征是密封器件劣化受損或絕緣材料受潮受損，并伴隨著游離放電或電暈現(xiàn)象，當(dāng)累積到一定程度時(shí)會(huì)造成絕緣擊穿，產(chǎn)生電火花或電弧甚至造成事故。

上述這兩種故障隱患，通常難以通過傳統(tǒng)的電氣檢測方法在其初發(fā)期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，但隨著紅外檢測和超聲波檢測技術(shù)逐漸成熟，能夠在不停電的情況下有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期缺陷，并對故障部位、性質(zhì)和成因進(jìn)行定性分析，大大提高了設(shè)備的供電可靠性和運(yùn)行可靠性。

1）紅外檢測技術(shù)

對于過熱型隱患，可以利用紅外檢測設(shè)備對工作狀態(tài)下的風(fēng)電變流器進(jìn)行測量，比較典型的主要有紅外測溫儀、紅外熱像儀和紅外熱電視，其中最具備智能故障診斷開發(fā)能力的是紅外熱像儀，其基本原理是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡，接收被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并將其反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，并利用不同的顏色代表被測物體的不同溫度，然后應(yīng)用圖像處理技術(shù)，分析出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2）超聲波檢測技術(shù)

對于放電型隱患，可以利用超聲波檢測設(shè)備對工作狀態(tài)下的風(fēng)電變流器進(jìn)行測量，比較典型的有超聲波局部放電檢測儀，其基本原理是利用外差法將電氣局部放電所產(chǎn)生的高頻噪聲通過壓電原理先行轉(zhuǎn)化為電流信號，然后再通過內(nèi)部處理將其轉(zhuǎn)化為人耳可聽的音頻信號，并在通過高頻接收器接收電氣設(shè)備產(chǎn)生的超聲波信號時(shí)對其音質(zhì)和強(qiáng)度進(jìn)行分析，這樣可以快速檢測出放電現(xiàn)象并精確定位故障點(diǎn)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的隱患缺陷。

3 風(fēng)電變流器預(yù)防性維護(hù)檢測方案

風(fēng)電變流器中每個(gè)器件在系統(tǒng)中的任務(wù)和功能不一樣，使得其動(dòng)作頻次和工作負(fù)荷都不相同，對系統(tǒng)的重要程度也不一樣，出現(xiàn)故障時(shí)對系統(tǒng)影響也不相同。經(jīng)研究分析直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和雙饋風(fēng)電機(jī)組的變流器主回路，結(jié)合上述紅外檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)的成熟度和可行性，重點(diǎn)檢測以下部件：

1）斷路器

主斷路器是風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)線路連接的核心保護(hù)器件，對整個(gè)機(jī)組起到安全保護(hù)作用。目前主斷路器基本具備計(jì)數(shù)功能，但由于斷路器在故障時(shí)會(huì)帶大電流分?jǐn)啵瑢?dǎo)致內(nèi)部絕緣下降，動(dòng)作次數(shù)只能作為參考，可以通過紅外技術(shù)檢測其內(nèi)部動(dòng)靜觸頭及外部接頭處的溫度分布來判斷是否接觸不良，通過超聲波檢測技術(shù)檢測斷路器滅弧室是否存在局部放電。

2）熔斷器

風(fēng)電變流器的預(yù)充電回路、直流母線回路以及卸荷回路等多處串接有熔斷器，主要用于在過電壓、過電流或過負(fù)荷發(fā)熱時(shí)通過快速熔斷來防止故障擴(kuò)散。如果熔斷器使用時(shí)間過久，因鹽霧腐蝕、臟污氧化或溫度變化等使熔體特性變化而發(fā)生誤斷。

或者滅弧介質(zhì)受到環(huán)境影響而受潮導(dǎo)致滅弧性能受損，分?jǐn)嚯娏髂芰ο陆担诩t外檢測中會(huì)表現(xiàn)為熔斷器和熔體表面的溫度值較正常值偏高，可以通過提取最高溫度值，與相鄰相的同類熔斷器進(jìn)行比較。可以通過超聲波檢測技術(shù)來檢測熔斷器的接線端子是否存在局部放電。

3）接觸器

交流接觸器由于具備頻繁地接通或分?jǐn)嘟涣麟娐返哪芰Χ鴱V泛應(yīng)用于風(fēng)電變流器的網(wǎng)側(cè)、定子側(cè)以及預(yù)充電回路。如果在供電電壓過高，操作過于頻繁，環(huán)境溫度過高，接觸器鐵心端面不平，接觸器動(dòng)鐵心有機(jī)械故障造成通電不吸合，接觸器內(nèi)部觸頭接觸不良等情況下，會(huì)出現(xiàn)接觸器線圈過熱或者觸點(diǎn)過熱等現(xiàn)象，利用紅外熱像儀可以對其內(nèi)部發(fā)生的過熱故障進(jìn)行全面檢測，并通過所呈現(xiàn)的溫度場分布來進(jìn)行定性分析甚至定量診斷。

同時(shí)由于風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中接觸器動(dòng)作的頻繁性，其內(nèi)部觸點(diǎn)在斷開與閉合時(shí)也會(huì)引起氣隙的頻繁擊穿甚至產(chǎn)生火花，當(dāng)累積到一定程度時(shí)就會(huì)造成高溫?zé)g而損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致接觸器被燒毀甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。可以通過超聲波探測儀監(jiān)測這些肉眼難以察覺的放電火花，并精確地定位放電部位并明確缺陷類型，為接觸器的狀態(tài)檢修提供有力的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

4）電阻器

風(fēng)電變流器中為了防止主接觸器閉合后直流母線的支撐電容瞬間短路，通常設(shè)置了預(yù)充電電阻用于直流母線預(yù)充電；同時(shí)，為了保障風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落的一定范圍內(nèi)能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，低電壓穿越回路上通常配置Crowbar電阻用來平衡有功并保護(hù)機(jī)組。如果電阻器內(nèi)部出現(xiàn)接觸不良，或者引線松動(dòng)、脫落甚至斷裂等造成阻值變化或者斷路時(shí)都會(huì)呈現(xiàn)出熱效應(yīng)的非正常現(xiàn)象，可以通過紅外熱成像技術(shù)檢測出其是否正常。

5）電抗器

在風(fēng)電變流器的網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)都存在電抗器，在實(shí)際運(yùn)行過程中，電路的過流和過壓等都可能導(dǎo)致電抗器的損壞。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，電抗器的高溫部位往往就是其相對薄弱的易損部位，這主要是因?yàn)闇囟认鄬τ谡駝?dòng)、電應(yīng)力等內(nèi)部因素以及有害氣體、潮濕、灰塵等外部環(huán)境因素對其絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)劣化所起的影響更占主導(dǎo)性，由此可以通過紅外熱成像技術(shù)檢測其溫度分布來進(jìn)行預(yù)測性評估。此外，電抗器繞組絕緣破損或受潮引起的漏電現(xiàn)象還可以通過超聲波檢測進(jìn)行提前預(yù)警。

6）電容器

濾波電容和直流母線電容是風(fēng)電變流器中的主要電容器件，其主要失效模式表現(xiàn)為電容值下降和漏電流過大。在正常工作溫度和運(yùn)行電壓條件下，其漏電流非常小，電容器發(fā)熱也極小；但如果電容器開始劣化時(shí)，其漏電流則會(huì)逐漸變大，電容器發(fā)熱也明顯增大。

由此利用紅外檢測技術(shù)監(jiān)測其溫度分布規(guī)律和變化趨勢可以檢測出電容器在漏電流超標(biāo)時(shí)的潛在故障，從而有針對性地安排視情維修以消除潛在故障，在發(fā)生功能故障之前進(jìn)行預(yù)防性檢修。對于電容器的潛在故障具體溫度范圍，可以結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行歸納和總結(jié)。

7）功率模塊

功率模塊是風(fēng)電變流器最重要的功率部件，但由于風(fēng)電機(jī)組出力的隨機(jī)性，其運(yùn)行功率也會(huì)頻繁波動(dòng)，在正常工況下功率模塊也長期承受重復(fù)性的結(jié)溫波動(dòng)，當(dāng)累積到一定程度時(shí)就會(huì)造成功率模塊失效，尤其是在過負(fù)荷、過電流或過電壓情況下，更是加速其劣化，從而造成IGBT擊穿或燒毀。

研究表明，隨著溫度升高，功率模塊的失效率將會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。溫度每升高10℃時(shí)，變流器失效率會(huì)增大一倍以上。由此可以通過紅外熱成像技術(shù)，將功率模塊運(yùn)行情況下的溫度分布規(guī)律和發(fā)展趨勢進(jìn)行記錄分析。

8）電纜接頭

風(fēng)電變流器的動(dòng)力電纜接頭眾多，鑒于現(xiàn)場相對惡劣的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)維條件，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于電纜接頭部位的接觸不良而造成局部發(fā)熱異常。對于此類故障，可以通過紅外檢測技術(shù)結(jié)合相對溫差法來定位故障點(diǎn)甚至判斷其嚴(yán)重程度。尤其是利用紅外熱圖像，可以直觀顯示出其具體過熱部位的準(zhǔn)確位置，以便于及時(shí)有效地排除故障隱患。

4 結(jié)論

紅外檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)可以作為風(fēng)電變流器預(yù)防性維護(hù)的重要檢測技術(shù)，尤其是對開展風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測具有重要意義。

1）紅外檢測和超聲波檢測技術(shù)符合應(yīng)用為先的狀態(tài)監(jiān)測指導(dǎo)方針，采用非接觸式帶電檢測，是常規(guī)停電檢測的有益補(bǔ)充，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)變流器設(shè)備的電氣故障隱患。

2）運(yùn)用紅外檢測和超聲波檢測技術(shù)對風(fēng)電變流器關(guān)鍵電氣部件進(jìn)行隱患檢測和故障診斷，具有較高的準(zhǔn)確度和靈敏度，隱患排查推斷相對簡單明晰，適合于在風(fēng)電系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

3）風(fēng)電變流器中眾多部件的各種故障類型分別具有各自典型的紅外圖譜特征和超聲波音頻特征，應(yīng)系統(tǒng)組織相關(guān)驗(yàn)證性測試并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析提煉。

4）針對風(fēng)電變流器的現(xiàn)場檢測實(shí)施，應(yīng)該在現(xiàn)有定檢運(yùn)維的基礎(chǔ)上針對紅外檢測和超聲波檢測逐步探索其定制化的運(yùn)檢方案，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，以提高預(yù)防性維護(hù)檢測的可靠性與準(zhǔn)確性。