風力發電機現場測試技術淺析

文／王春光

風力發電機現場測試技術淺析

文／王春光

隨著我國對環保與可再生能源的愈加重視，國內風電機組的制造與運行在最近十余年的發展中逐漸壯大，針對于風電機組的設計、工藝、制造與檢測水平也穩步提升。風電機組一般安裝在距地面幾十米的高處，在現場進行維護和檢修不便，在這種情況下制造方和風電場方就需要通過檢測手段來保證風電機組的安裝與運行性能。本文對風電機組在風場現場進行的檢測項目所應用的技術進行淺析，從技術應用的角度來看待雙饋異步發電機和永磁同步發電機的檢測差異。

發電機現場檢測技術綜述

現場檢測可以分電氣測試與機械檢測兩大類，電氣測試要確認電氣部件和電氣連接線路的工作狀態，機械檢測要確認發電機運行過程中的部件受力變化情況。下面對現場測試中應用到的技術方法進行介紹。

一、電壓電流測試法

電壓電流法可以進行發電機的電阻性能檢測，包括繞組（測溫元件、加熱器、接地碳刷等）的直流電阻和絕緣電阻；安全防護的開關通斷功能（如碳刷限位開關通斷、避雷器接地電阻）檢測；絕緣交流耐電壓試驗等。此方法是指在導體（或絕緣體）兩端施加一定的直流或交流電壓，測量通過導體的電流值，通過判斷其電流值或電阻計算結果，來確定部件的質量或工作狀態（電路通暢或電氣隔離）。檢測設備也是按這個原理來工作的，由穩壓電源提供穩定的電勢能施加在導體兩端，使用電流傳感器測定導體中的電流值，通過控制單元進行采樣校準，收集電壓電流數據，計算單元按預設程序進行計算或結果判斷，由顯示或輸出單元將結果顯示出來。

二、沖擊電壓衰減效應

繞組或線圈匝間耐電壓試驗利用的是模擬自然雷電的沖擊電壓在繞組或線圈中的衰減波形來判斷其質量狀況的，測試設備的升壓整流濾波單元控制合適的直流沖擊電壓輸出，使用閘流開關將沖擊電壓突然施加在繞組或線圈的兩端，沖擊波在繞組或線圈中的放電波形會在示波器出顯示出來，因放電衰減波形與繞組或線圈的匝數和磁路相關，與正常的繞組或線圈進行對比，來判斷繞組或線圈內部是否有短路或斷路。

三、霍爾效應

永磁體的磁特性檢測利用的是霍爾效應原理，即當導體中的電流與外磁場在空間相交時，導體的兩端會出現電勢差，因此，測量導體兩端的電壓即可利用原理公式計算出外磁場的磁感應強度，檢測設備一般由穩壓電源輸出穩定的電流流過傳感器的導體，將傳感器垂直放置在永磁體的表面，通過控制單元采樣，將采樣數據通過計算單元進行計算，最后得出磁感應強度（或磁通密度）數值。

四、杠桿原理

緊固件的裝配檢測使用了力矩扳手，應用的就是杠桿原理，在杠桿的一端使用較小的力可以在另一端產生更大的力，當力矩扳手施加在緊固件上的力達到要求時，機械式力矩扳手的機械鎖會滑脫，避免力矩過大對緊固件的損傷，此種扳手多用于螺栓緊固件的裝置；數顯和指針式的力矩扳手則是利用杠桿彎矩與扭矩等效的原理，通過扳手內置的應力變形傳感器將應變信號轉換為電或機械信號，在數字顯示屏或指針表盤中顯示出來，此種扳手多用于力矩值的檢測與驗證。

五、光電傳感技術

發電機與齒輪箱或主軸的聯軸對中裝配及檢測，可以使用千分表或激光對中儀，利用兩軸中心線的相互位置在旋轉時的變化量來調整部件位置并進行判定，激光對中儀利用的就是光電轉換傳感技術，由激光發射器輸出特定波長的激光，光敏部件接收到激光的位置變化量，計算出軸中心線需要調整的量。

六、機電轉換傳感技術

發電機的振動測試一般由振動加速度傳感器、數據采集主機兩部分組成，加速度傳感器利用的就是機電轉換傳感技術，即當機械振動產生的力作用在壓電晶體上，利用晶體的壓電效應（當晶體在一定方向的外力作用下或承受變形時，晶體面或極化面上將有電荷產生，即受力生電效應）將機械振動信號轉換為可識別的電壓量，在顯示單元中顯示出來，由控制單元或工作人員進行判定。

七、非線性電阻保護

發電機的避雷器是保護電機繞組等部件在受到雷擊或誤操作過電壓時不受到電氣損壞的安全防護裝置，其最重要的組件就是接地電阻，如具有優秀非線性電阻特性的氧化鋅電阻，在正常工作電壓下，氧化鋅電阻有極高的阻值，僅可通過微安級的電流，而當電壓超過設計限值時，氧化鋅電阻阻值會迅速降低，允許通過的電流迅速增大，將過電壓直接釋放接地，避免過電壓直接沖擊繞組等部件。利用氧化鋅電阻，可以制成無間隙結構的避雷器，具有質量輕、耐污染、閥片性能穩定等特點被大量應用。

八、傳聲器和計權網絡

發電機在運行過程中會發出不同的聲音，有經驗的作業人員會依據聲音的不同對發電機的運行狀態進行判斷，聲級計的使用就是將人耳聽到的聲音轉換為電信號，供作業人員進行參考判斷。聲級計使用的傳聲器一般為電容式，當電容的一極響應聲波而運動，會改變電容器的電容值，電容的變化在電路中會變成可測量的電信號，通過放大電路傳輸到計權網絡，計權網絡可以模擬人耳對聲波反應速度的時間特性、對高低頻有不同靈敏度的頻率特性、對不同響度時改變頻率特性的強度特性對信號進行頻率計權，計權信號會再次放大送到有效值檢波裝置中進行比對，在顯示屏中顯示出聲級，因為聲音信號經過了計權網絡的修正，所以最終的測定值不是客觀物理量的線性聲壓級，而是帶有人耳主觀性的計權聲壓級，由于計權網絡不同，可分為A級、B級、C級計權聲級，因A計權聲級的特性曲線最接近人耳的聽感特性，現用的國家標準中規定的噪聲限值即為A計權數值。

以上現場檢測應用到的技術，除依靠經驗進行外觀的目視檢測外，從簡單的電壓電流檢測法到較流行的傳感技術，體現了國內發電機檢測技術方法的進步。

雙饋異步與永磁同步發電機之間的對比

雙饋發電機和永磁發電機是現階段我國風場內最常見及安裝量最多的兩種機型，各自有不同的結構特點和優缺點，表1中列出了雙饋發電機與永磁發電機之間的主要區別，需要相關人員在進行現場檢測前加以了解。

由于兩種發電機在結構和功能上的不同，在進行現場檢測時也會有些差異。表2列舉了兩種發電機檢測項目上的對照。

表2匯總了雙饋和永磁兩種發電機的現場檢測項目，除對永磁體的檢測項目外，表中所列的項目大部分均相同，只有部分項目由于結構差異而不同，現場檢測作業所應用到的技術也大都相同，且在相近的測量范圍內，使用的檢測設備也可以通用，應用到的技術也基本無差別。而且，現場檢測應用到許多相應的國標包括：GB/T 23479.2－2009《風力發電機組 雙饋異步發電機 第2部分：試驗方法》、GB/T 25389.2－2010《風力發電機組 低速永磁同步發電機 第2部分：試驗方法》、GB/T 1029－2005《三相同步電機試驗方法》、GB/T 1032－2005《三相異步電動機試驗方法》等，以及整機商或發電機制造商提供的使用說明書或現場維護文件中，對于現場檢測應用的技術也有簡略的說明，根本上講也是沒有區別的。最后應該提到，現場檢測作業人員也應具備一定的專業素養，對以上檢測項目及應用技術加以了解。

表1 雙饋異步發電機與永磁同步發電機對比表

表2 雙饋異步及永磁同步發電機現場檢測項目對照

結論

現階段，我國大部分風電場雖然已經或即將安裝SCADA等在線監測與管理系統，但并不能取代所有的現場檢測項目，仍需運維人員爬到塔筒上在發電機的近距離實施作業。從前面的分析來看，兩種發電機的現場檢測基本沒有區別，在同一風場安裝兩種風機不會對運維效率有影響。

（作者單位：北京鑒衡認證中心）