中國北方地區風電軸承故障調查與分析

蘇連成, 李興林, 王文龍，李小俚，陳國建

(1.杭州軸承試驗研究中心 博士后科研工作站，杭州 310022；2.燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

1 概述

風能是一種可再生的綠色能源，1臺1.5 MW的風電機組替代火電機組發電，每年可減排3 000 t二氧化碳[1]。近幾年我國在風電領域發展很快[2-3]，至2011年底累計裝機容量已達62 GW(圖1)，超過全球裝機總量的1/4(圖2)。2012年6月，我國風電并網容量達60 GW，裝機和并網容量雙居世界第一，成為名副其實的全球第一風電大國。

圖1 中國風電裝機容量(2013年數據為計劃容量)

圖2 2011年全球主要風電大國風電累計裝機容量對比

風電機組運行環境惡劣，且安裝于幾十米高的塔架上，一旦發生故障，除造成停機發電損失外，維護費用也非常高昂[4-5]。在機組零部件中，主軸承、齒輪箱和發電機軸承因故障率高、停機時間長和維護費用高而最受重視。近年來國內、外對上述關鍵零部件的狀態監測與故障診斷展開了一系列研究，在監測方式[6-9]、變速變載荷條件下的信號處理[10-11]等領域取得了一系列成果，提高了機組故障的預警能力，降低了維護費用。

對風電設備制造企業而言，詳細且精確的故障率、故障點和故障程度信息對設備的進一步設計和改進具有重要的參考價值。遺憾的是，由于風場多把機組故障信息看作商業機密，詳細的故障統計文獻很少。文獻[12-13]發布的瑞士和歐洲風場的風電機組故障數據一直被世界各國當成判斷風電機組關鍵零部件可靠性的依據，但隨著風電機組制造技術的改進，其單機容量和傳動結構已有很大不同，并且我國干燥、多沙塵的自然環境也與歐洲有很大差異，同時由于風電機組關鍵零部件的國產化和國內、外工藝與裝配制造水平的差異，國內風電機組關鍵零部件的故障規律勢必與歐洲風場不同。因此，文獻中統計數據對我國當前風電行業的參考價值有限。作為風電第一大國，且鑒于2012年頒布的《風電發展“十二五”規劃》中“2015年并網裝機總容量達到1億千瓦，到2020年裝機容量達到2億千瓦”的目標，了解并掌握國內風電機組的故障規律，尤其是主軸承、齒輪箱和發電機軸承的故障規律，對提高我國風電軸承的設計、制造和工藝水平具有重要意義。

2 故障統計與分析

對我國北方地區9個風場共417臺風電機組的運行數據進行調查和分析，3個風電機組制造商A，B，C生產的5個機型的詳細信息見表1。

表1 風電機組詳細信息

風電機組主軸承、齒輪箱和發電機軸承的故障率分別為0.82%，32.04%和67.14%。發電機軸承的故障率最高，占總故障的2/3。主軸承的故障率最低，由于均為輕微故障，未進一步統計故障點(內圈、外圈和滾動體等)信息。

風電機組齒輪箱各故障點的故障率分布如圖3所示，以高速軸故障為主，其他主要是潤滑故障。由于齒輪箱軸承故障率不高，未詳細列出軸承的具體故障部位。發電機各故障點的故障率分布如圖4所示，以軸承故障為主，軸承故障中又以外圈故障為主，其他故障包括不對中、不平衡、潤滑不良和電磁振蕩等。

圖3 風電機組齒輪箱故障率分布

圖4 風電機組發電機故障率分布

2.1 需立即停機的嚴重故障點分布

需立即停機的嚴重故障點主要集中在發電機軸承，且75%以上是軸承外圈，如圖5所示。

圖5 需立即停機的嚴重故障點分布

2.2 故障率和故障程度與機型的關系

文獻[11-12]顯示風電機組的故障率隨單機功率和運行時間而提高，但本調查發現與單機功率和運行時間相比，機型的故障率差異更加明顯。故障率和故障程度與機型的關系如圖6所示。由于A1與A2差別很小，B1與B2差別也很小，故將其合并統計，對比3個不同機型的故障數據。

圖6 風電機組的故障率和故障程度與機型的關系

同樣為A機型，A1運行53～66個月，A2運行20～24個月，A1的故障率和故障程度均與A2相差不大。單機功率不同的B1和B2也未表現出故障率差異。

3 VDI 3834評估

VDI 3834是德國風電公司基于幅值制定的故障診斷標準[13]，其被國際風電行業廣泛采用，但僅基于此標準判斷故障非常不準確。以65臺B1和隨機選取的66臺A2為例，基于此標準進行故障診斷的誤報率和漏報率見表2，表中“-”表示無故障數據。

表2 基于VDI 3834的B1，A2故障診斷結果

只比較對應監測位置，以詳細分析頻譜所得到的診斷結果為準。頻譜分析法診斷出故障而VDI 3834未診斷出為漏報，用“L”表示；VDI 3834診斷出故障而頻譜分析法未診斷出為誤報，用“F”表示；故障診斷準確，用“T”表示。

由表2可知， VDI 3834對于早期和輕微故障的漏報和誤報嚴重，而對于需立即停機的嚴重故障則判斷較準確。

4 結束語

國內關于風電機組在線狀態監測與故障診斷的研究目前主要還停留在實驗室階段，對風電軸承的維護與故障診斷有如下建議：

(1)故障監測的振動傳感器配置只需8路即可，最好配置在主軸承1路，發電機軸承的前、后端各1路，其他5路可根據齒輪箱的具體結構配置在輸入軸、中間軸、低速軸、高速軸和外齒圈等位置。傳感器較多不僅增加頻譜分析的工作量，還易誤報。本研究發現振動傳感器故障誤報19例，主要發生在主軸承和低速軸位置。

(2)相對于單機功率和運行時間，機型表現出更高的故障率差異。不同機型的零部件供應商不同，則其故障率也會有較大不同，如C機型的齒輪箱故障率為15.5%，而B機型的齒輪箱故障率則高達34%。

(3)機組故障具有相似性和群發性，因此對于相同機型，一旦有1臺機組出現故障，尤其是較嚴重的故障，一定要調查清楚詳細的故障原因并記錄在案，為后續的故障診斷和設備維護提供參考。

(4)具體的故障分布特點為：主軸承故障率很低；齒輪箱故障多集中于齒輪，與文獻[10-11]所述多集中于軸承不同；發電機故障多集中在兩端的軸承上，且多為嚴重的外圈故障，疑似電蝕引起，監測發電機軸承的潤滑與集電環的絕緣和接地對于其故障的預防非常重要。