自從20世紀90年代開始，為了促進風電并網的快速發(fā)展，國家推出了一系列風電發(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電供應商的開發(fā)熱情，市場上的主流產品迅速從定槳距恒速恒頻風電機組升級為以變流器為核心的變槳距變速恒頻風電機組，并隨之在2007—2010年迎來了我國風電并網的首個小高峰。

時至今日，當年大規(guī)模投入運行的雙饋及直驅風電機組已經壽命過半，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，嚴重時甚至引發(fā)電氣火災。如圖1和圖2所示，2017年12月和2019年7月內蒙區(qū)域的兩臺雙饋風電機組變流器著火后分別導致功率模塊和直流電容完全燒毀。

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

鑒于早期大規(guī)模集中式風電開發(fā)的快速發(fā)展，目前越來越多的風電機組逐漸進入老化故障期，針對上述風電變流器內部器件劣化引發(fā)的電氣火災，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

風電機組運維過程中的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明，造成風電變流器劣化的主要因素可以歸結為以下幾方面：

1）電氣因素

因風電機組故障或超發(fā)引起的變流器過電流造成其內部導體和絕緣材料局部過熱老化；過負荷分合斷路器和接觸器時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度下降；因絕緣材料局部放電造成的單點破壞逐漸擴大，導致整體絕緣的全面劣化。

2）機械因素

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械應力造成的螺栓松動及接觸不良甚至器件磨損變形；因風電機組長期運行過程中難以避免的振動、沖擊等反復作用造成的疲勞劣化。

3）發(fā)熱因素

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

4）環(huán)境因素

風電變流器所處環(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，造成其內部接頭部位接觸不良、器件連接點氧化腐蝕以及絕緣材料變質老化；因老鼠、白蟻等小動物咬壞電纜、浸水等造成的破損。

2 風電變流器的預防性維護檢測

目前，行業(yè)內對風電變流器的狀態(tài)監(jiān)測尚無明確的具體規(guī)定和參考數(shù)據(jù)，通常都是在運維過程中以變流器供應商根據(jù)自身設備特點提供的設備參數(shù)為基礎，結合風電機組的運行環(huán)境和運行工況來制定定期檢修方案。

然而，在實際的風電運維過程中，這種定檢模式很難及時發(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，減少故障停機損失，降低維修費用并提高設備的有效利用率，有必要在定期檢修的基礎上開展風電變流器的預防性維護檢測，以確保風電機組的安全穩(wěn)定與經濟運行。

2.1 預防性維護原理

從上面的分析可以看出風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以及導體材料的氧化腐蝕與磨損變形，這些劣化狀態(tài)基本都隨著時間的積累而不斷加劇，直至最后的功能失效。

由此，風電變流器中這些有慢性耗損特征的內部器件，其功能性故障通常不會在一瞬間發(fā)生，而是有一個相對長期的漸變發(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，則可以開展預防性維護來提前排查故障。

圖3 預防性維護示意圖

通常情況下，風電變流器的設計壽命為30年，并滿足不少于20年的使用壽命，但由于其應用環(huán)境普遍惡劣、運行工況相對多變且內部器件性能各異，往往會造成部分器件偏離設計之初的自然劣化曲線。當器件出現(xiàn)潛在故障時，雖然功能狀態(tài)有所下降，但考慮到電氣設計時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)仍然達標，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點為器件劣化發(fā)生的初始點，B點為能夠檢測到器件劣化的定損點，C點為器件需要及時維修保養(yǎng)的準故障點，D點為器件維修保養(yǎng)后的恢復點，T為狀態(tài)監(jiān)測的時間間隔。

在器件出現(xiàn)潛在故障時會在A點開始偏離ADF曲線，并沿著ABCE曲線進入功能下滑狀態(tài)，如果沒能在BC段及時檢測發(fā)現(xiàn)并成功修復，則會錯過最佳止損點，并且在C點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，嚴重時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段及時檢測出該潛在故障并成功修復，則能夠有效避免功能性故障及其后果，從而實現(xiàn)預防性維護。

2.2 預防性維護檢測技術

通過對國內外風電變流器在運行過程中發(fā)生的電氣事故進行統(tǒng)籌分析，尤其是電氣火災事故，按照其形成機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部器件、線路電纜以及電氣接頭等部位異常發(fā)熱，當累積到一定程度時會引燃絕緣材料及附近的可燃物，產生燒蝕甚至火災事故；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，當累積到一定程度時會造成絕緣擊穿，產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)期及時發(fā)現(xiàn)，但隨著紅外檢測和超聲波檢測技術逐漸成熟，能夠在不停電的情況下有效地發(fā)現(xiàn)設備的早期缺陷，并對故障部位、性質和成因進行定性分析，大大提高了設備的供電可靠性和運行可靠性。

1）紅外檢測技術

對于過熱型隱患，可以利用紅外檢測設備對工作狀態(tài)下的風電變流器進行測量，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成像物鏡，接收被測目標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，然后應用圖像處理技術，分析出設備的運行狀態(tài)。

2）超聲波檢測技術

對于放電型隱患，可以利用超聲波檢測設備對工作狀態(tài)下的風電變流器進行測量，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生的高頻噪聲通過壓電原理先行轉化為電流信號，然后再通過內部處理將其轉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備產生的超聲波信號時對其音質和強度進行分析，這樣可以快速檢測出放電現(xiàn)象并精確定位故障點，從而及時發(fā)現(xiàn)設備內部的隱患缺陷。

3 風電變流器預防性維護檢測方案

風電變流器中每個器件在系統(tǒng)中的任務和功能不一樣，使得其動作頻次和工作負荷都不相同，對系統(tǒng)的重要程度也不一樣，出現(xiàn)故障時對系統(tǒng)影響也不相同。經研究分析直驅風電機組和雙饋風電機組的變流器主回路，結合上述紅外檢測技術和超聲波檢測技術的成熟度和可行性，重點檢測以下部件：

1）斷路器

主斷路器是風電機組與電網線路連接的核心保護器件，對整個機組起到安全保護作用。目前主斷路器基本具備計數(shù)功能，但由于斷路器在故障時會帶大電流分斷，導致內部絕緣下降，動作次數(shù)只能作為參考，可以通過紅外技術檢測其內部動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檢測斷路器滅弧室是否存在局部放電。

2）熔斷器

風電變流器的預充電回路、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、過電流或過負荷發(fā)熱時通過快速熔斷來防止故障擴散。如果熔斷器使用時間過久，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。

或者滅弧介質受到環(huán)境影響而受潮導致滅弧性能受損，分斷電流能力下降，在紅外檢測中會表現(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行比較。可以通過超聲波檢測技術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斷交流電路的能力而廣泛應用于風電變流器的網側、定子側以及預充電回路。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，接觸器動鐵心有機械故障造成通電不吸合，接觸器內部觸頭接觸不良等情況下，會出現(xiàn)接觸器線圈過熱或者觸點過熱等現(xiàn)象，利用紅外熱像儀可以對其內部發(fā)生的過熱故障進行全面檢測，并通過所呈現(xiàn)的溫度場分布來進行定性分析甚至定量診斷。

同時由于風電機組在運行過程中接觸器動作的頻繁性，其內部觸點在斷開與閉合時也會引起氣隙的頻繁擊穿甚至產生火花，當累積到一定程度時就會造成高溫燒蝕而損傷，嚴重時會導致接觸器被燒毀甚至引發(fā)電氣火災。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。

4）電阻器

風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，通常設置了預充電電阻用于直流母線預充電；同時，為了保障風電機組在電壓跌落的一定范圍內能夠不間斷并網運行，低電壓穿越回路上通常配置Crowbar電阻用來平衡有功并保護機組。如果電阻器內部出現(xiàn)接觸不良，或者引線松動、脫落甚至斷裂等造成阻值變化或者斷路時都會呈現(xiàn)出熱效應的非正常現(xiàn)象，可以通過紅外熱成像技術檢測出其是否正常。

5）電抗器

在風電變流器的網側和機側都存在電抗器，在實際運行過程中，電路的過流和過壓等都可能導致電抗器的損壞。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，電抗器的高溫部位往往就是其相對薄弱的易損部位，這主要是因為溫度相對于振動、電應力等內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構劣化所起的影響更占主導性，由此可以通過紅外熱成像技術檢測其溫度分布來進行預測性評估。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行提前預警。

6）電容器

濾波電容和直流母線電容是風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，其漏電流則會逐漸變大，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時的潛在故障，從而有針對性地安排視情維修以消除潛在故障，在發(fā)生功能故障之前進行預防性檢修。對于電容器的潛在故障具體溫度范圍，可以結合實際工程應用進行歸納和總結。

7）功率模塊

功率模塊是風電變流器最重要的功率部件，但由于風電機組出力的隨機性，其運行功率也會頻繁波動，在正常工況下功率模塊也長期承受重復性的結溫波動，當累積到一定程度時就會造成功率模塊失效，尤其是在過負荷、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呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。溫度每升高10℃時，變流器失效率會增大一倍以上。由此可以通過紅外熱成像技術，將功率模塊運行情況下的溫度分布規(guī)律和發(fā)展趨勢進行記錄分析。

8）電纜接頭

風電變流器的動力電纜接頭眾多，鑒于現(xiàn)場相對惡劣的運行環(huán)境和運維條件，經常會出現(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結合相對溫差法來定位故障點甚至判斷其嚴重程度。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確位置，以便于及時有效地排除故障隱患。

4 結論

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

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

2）運用紅外檢測和超聲波檢測技術對風電變流器關鍵電氣部件進行隱患檢測和故障診斷，具有較高的準確度和靈敏度，隱患排查推斷相對簡單明晰，適合于在風電系統(tǒng)中推廣應用。

3）風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，應系統(tǒng)組織相關驗證性測試并結合歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行綜合分析提煉。

4）針對風電變流器的現(xiàn)場檢測實施，應該在現(xiàn)有定檢運維的基礎上針對紅外檢測和超聲波檢測逐步探索其定制化的運檢方案，并結合現(xiàn)場實踐進一步積累經驗，以提高預防性維護檢測的可靠性與準確性。