風(fēng)電機(jī)組變流器故障缺陷研析

楊培文 熊國專 陳鐵 張金強(qiáng)

（龍源（北京）風(fēng)電工程技術(shù)有限公司 北京 100000）

0 引言

能源與環(huán)境問題是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。電力行業(yè)是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)性支柱產(chǎn)業(yè)，與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。隨著我國2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和宏偉目標(biāo)的確定，化石能源的變革加速，新能源將占據(jù)越來越重要的作用，風(fēng)力發(fā)電是最主要的新能源形式之一。隨著風(fēng)電單機(jī)容量的不斷增加，變流器容量也在逐漸變大，變流器性能的優(yōu)劣、故障率的高低直接影響著風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和企業(yè)的利益。變流器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，對風(fēng)電機(jī)組可靠并網(wǎng)、電網(wǎng)電壓波動、維持穩(wěn)定的輸出輸入頻率及高/低電壓穿越保護(hù)等起到重要作用。變流器主要由機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、并網(wǎng)部分、控制部分、制動部分、濾波電路等輔助電路組成，每部分出現(xiàn)故障，都會導(dǎo)致變流器整體性能的下降。經(jīng)調(diào)研及多年風(fēng)電運(yùn)維經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行5 a 左右的變流器，故障或集中缺陷問題將會逐漸爆發(fā)，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此深入研究風(fēng)電變流器故障缺陷爆發(fā)的原因及部件損壞情況，對了解風(fēng)電變流器性能，研究如何降低變流器故障率，延長變流器使用周期，保障變流器的可靠性具有重要的意義和指導(dǎo)意義。

1 變流器故障原因

變流器故障是由多種因素綜合或是長期積累的結(jié)果。為了避免突發(fā)故障停機(jī)造成變流設(shè)備損壞，影響發(fā)電量，應(yīng)當(dāng)在故障發(fā)生之前提前發(fā)現(xiàn)并更換這些有缺陷的組件，消除故障及安全隱患。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響變流器性能因素主要有硬件本體缺陷、控制邏輯、工作環(huán)境溫度、散熱性能、濕度、電磁干擾、灰塵和日常維護(hù)等。為了更好地掌握變流器的故障情況及變流器運(yùn)維技術(shù)，根據(jù)引起變流器部件損壞情況，將變流器故障為2類：真性故障和假性故障。其中，變流器假性故障遠(yuǎn)多于真性故障，假性故障占比80%左右。

（1）真性故障。變流器系統(tǒng)部件損壞，直接或間接影響變流器工作，引起變流器停機(jī)，備件損壞，嚴(yán)重者可導(dǎo)致機(jī)組炸裂、著火等，可通過更換部件等方式消除故障。

（2）假性故障。變流器系統(tǒng)部件不損壞，處于超限或受干擾等狀態(tài)，引起故障或保護(hù)停機(jī)，可通過復(fù)位、重啟方式重新工作，不需要更換部件。重復(fù)發(fā)生，有導(dǎo)致真故障的可能性。

2 故障原因解析

經(jīng)過多年風(fēng)電變流器運(yùn)維實踐及研究發(fā)現(xiàn)，引起變流器故障的因素很多，主要原因可以歸納為5 個方面。

2.1 環(huán)境因素

（1）溫度。溫度是影響變流器性能的最重要因素。變流器是電力電子元器件的組合體，電力電子元器件性能受環(huán)境因素尤其溫度影響比較大。隨著溫度的升高，變流器性能會降低，故障最終在薄弱環(huán)節(jié)開始爆發(fā)。這也是為什么變流器工作初期（1 a～3 a）故障低下、5 a 后變流器開始故障頻發(fā)的主要原因。

（2）濕度。濕度也是影響變流器性能的重要因素，長期工作在濕度較大的環(huán)境中，會導(dǎo)致變流器整體絕緣性能降低、銹蝕、到時絕緣薄弱、發(fā)生電離等情況。

（3）振動。振動也是影響變流器性能的一個重要因素，經(jīng)常性振動會導(dǎo)致變流器接線松弛，發(fā)生接觸不良或放電現(xiàn)象，頻繁出現(xiàn)故障。

（4 ）灰塵。灰塵也是導(dǎo)致變流器性能降低的一個重要因素，灰塵堆積不僅會導(dǎo)致變流器板卡、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等元器件散熱性能降低，有時還會發(fā)生放電情況，導(dǎo)致變流器故障。

2.2 變流器本體

（1）變流器設(shè)計缺陷。變流器設(shè)計缺陷是指在變流器設(shè)計階段，受制于當(dāng)時技術(shù)水平或設(shè)計能力等原因，導(dǎo)致變流器存在硬件選型不匹配、結(jié)構(gòu)、散熱布局不合理、控制算法與邏輯存在缺陷等問題，初始階段變流器能正常工作，但是運(yùn)行一段時間后，變流器會集中爆發(fā)相似的故障，并且具有一定的傾向性，隨著時間的增長，故障嚴(yán)重程度會逐漸增加。

（2）變流器部件老化。電力電子元器件都有一定的壽命周期，隨著環(huán)境的影響及使用周期的延長，其性能會呈現(xiàn)下降趨勢，最終出現(xiàn)部件老化、損壞，導(dǎo)致變流器故障。

（3）變流器損壞。因過流、過壓等故障情況或其他未可知原因引起變流器模塊或輔助電路發(fā)生損壞，表現(xiàn)形式為硬件損壞或引薦功能失效。

2.3 變流器裕量降低

隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增加，變流器結(jié)構(gòu)日趨模塊化，同一容量的變流器模塊使用到不同容量機(jī)組上，使機(jī)組變流器裕量不同，裕量較低的變流器潛在故障提高。因此，要加強(qiáng)變流器硬件的跟蹤。

2.4 電網(wǎng)故障因素

（1）諧波擾動。電網(wǎng)諧波等原因?qū)е码娫捶?、相位、頻率的變化瞬時或在一定的時間內(nèi)超過變流器的設(shè)定保護(hù)范圍引起的故障，嚴(yán)重時可以損壞變流器硬件。

（2）電網(wǎng)電壓波動。電網(wǎng)電壓波動引起變流器脫網(wǎng)或變流器損壞。

（3）高/低穿問題。風(fēng)電機(jī)組變流器高/低穿功能無法實現(xiàn)或反應(yīng)速度不夠，引起變流器故障，可導(dǎo)致變流器硬件損壞。

2.5 其他因素

變流器其他部件或其他系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場、信號波等對變流器的正常工作產(chǎn)生干擾作用，導(dǎo)致變流器誤動作或故障觸發(fā)，嚴(yán)重的可以引起變流器硬件損壞。

3 變流器常見部件損壞

3.1 變流器功率模塊炸裂

IGBT 模塊存在多種失效形式，主要包括鍵合線脫落和焊料層老化等。根據(jù)失效的部位不同，可將IGBT 失效分為芯片失效和封裝失效兩類。引發(fā)IGBT 芯片失效的原因有很多，如電源或負(fù)載波動、驅(qū)動或控制電路故障、散熱裝置故障、線路短路等，但最終的失效都可歸結(jié)為電擊穿和熱擊穿2 種，其中電擊穿失效的本質(zhì)也是溫度過高的熱擊穿失效。IGBT 熱失效的原因有多種，比如散熱裝置不良、電流過大、浪涌電流沖擊、短路電流沖擊等，各種原因造成的IGBT 熱失效機(jī)理和失效模式并不相同。由變流器功率模塊內(nèi)部溫度的波動及不同材料熱膨脹系數(shù)的不匹配而產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力，是變流器功率模塊老化失效的根本原因，見圖1。

圖1 IGBT 模塊損壞

3.2 變流器母排放電

經(jīng)過對放電的變流器母排研究發(fā)現(xiàn)，擊穿部位多發(fā)生在銅排拐角處、螺栓固定處等位置，見圖2。

圖2 變流器母排放電

變流器母排放電受環(huán)境因素影響，在不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的形式。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，北方和南方的變流器故障表現(xiàn)形式略有不同，北方多灰塵、鐵礦，導(dǎo)致鐵礦粉塵進(jìn)入變流器柜，造成變流器母排放電擊穿；南方風(fēng)電場多高溫、潮濕、鹽霧等氣候條件，高溫、潮濕、鹽霧腐蝕等導(dǎo)致絕緣墊片老化加劇，絕緣性能下降，潮濕的天氣，加速母排放電的機(jī)率；該環(huán)境還引起變流器銅排出現(xiàn)不同程度的銹蝕現(xiàn)象，使其導(dǎo)電性能下降或接觸不良，導(dǎo)致絕緣墊片老化加劇。

3.3 變流器穩(wěn)壓電容老化

變流器穩(wěn)壓電容包含2 類：電解電容和薄膜電容，薄膜電容采用金屬鍍層作為電解質(zhì)，且有較低的ESR（Equivalent Series Resistance 的縮寫，中文意思等效串聯(lián)電阻），故壽命可在8 萬h～10 萬h，超過20 a。鋁電解電容器一般標(biāo)稱電容的壽命為4 000 h，85 ℃。實際運(yùn)行的壽命可按照工作溫度每低于10 ℃壽命增加2 倍來計算，且工作在額定紋波電流時，溫度按照增加5 ℃計算，如實際工作溫度為60 ℃，則壽命約為16 000 h，壽命為5 a～8 a。鋁電解電容因為使用電解液作為介電質(zhì)，其失效速度與電解液的揮發(fā)速度有關(guān)。變流器穩(wěn)壓電容故障或劣化表現(xiàn)形式主要有電容放電、漏液、變形鼓包、裂紋、容量降低等，見圖3。

圖3 變流器電解電容老化

3.4 變流器控制板卡老化

變流器上使用的電路板較多，包括IGBT 驅(qū)動板、控制板、分配板、電源板、功率板、過壓保護(hù)板、采集板等。隨著運(yùn)行年限增多，電路板碳化、焊點(diǎn)氧化、腐蝕、生銹，三防漆脫落、元器件老化等問題。其中電路板碳化、元器件老化是影響壽命的主要因素。

3.5 散熱器性能下降

水冷變流器散熱器管壁及擾流絲結(jié)垢、水冷系統(tǒng)壓力不足，水流量不夠、水冷液更換不及時、水冷管道過濾網(wǎng)堵塞、外冷散熱器芯體散熱片排布形式容易堵塞。風(fēng)冷變流器柜濾網(wǎng)、散熱器堆積灰塵（見圖4）、油污等，減少熱交換面積，熱阻系數(shù)的增大，散熱能力下降。

圖4 散熱器灰塵堆積

4 變流器故障解決方案

4.1 部件周期更換

隨著使用周期的增加，變流器部件使用壽命到期，相同的部件會頻繁出現(xiàn)損壞或性能降低，無法滿足使用要求，會對變流器性能造成影響，需要提前進(jìn)行預(yù)防性檢測和周期性更換。根據(jù)風(fēng)電變流器性能研究及故障發(fā)生情況，結(jié)合運(yùn)維經(jīng)驗，確定變流器部分部件主要更換和檢測周期如表1 所示。

表1 風(fēng)電變流器部件更換周期

4.2 加強(qiáng)日常維護(hù)

針對頻發(fā)的變流器故障問題，風(fēng)電場多采用更換部件解決問題，但無法有效降低故障率。通過對變流器故障的研究，確定解決變流器故障缺陷方案應(yīng)側(cè)重于3 個方面：①加強(qiáng)變流器深度維護(hù)，改善工作環(huán)境；②周期性更換易損部件，降低故障突發(fā)；③針對性的開展變流器技改，消除部分缺陷等。

從經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合分析，加強(qiáng)變流器深度預(yù)防維護(hù)，改善工作環(huán)境是解決變流器故障頻發(fā)的最優(yōu)方案。因此，加強(qiáng)對變流器深度運(yùn)行維護(hù)，以較少的成本改善變流器工作環(huán)境，降低變流器故障率，提高性能，延長使用周期，就很有必要了。

5 結(jié)論

通過對風(fēng)電變流器故障原因及部件損壞情況進(jìn)行詳細(xì)分析。針對頻發(fā)的變流器故障問題提出了3 個方面解決方案：加強(qiáng)風(fēng)電變流器深度維護(hù)、周期性更換易損部件和針對性地開展變流器技改等方案，明確了風(fēng)電變流器部件更換周期，確定了對變流器深度預(yù)防維護(hù)為最優(yōu)解決方案，為后續(xù)變流器故障研究和解決問題提供了依據(jù)，指明了方向。