风力发电机绝缘失效原因及改进措施

风力发电机绝缘失效原因及改进措施

冯云

西安中车永电捷力风能有限公司 陕西西安 710016

摘要：目前，我国的风力发电行业的发展迅速。能源危机一直以来是世界各国面临的严峻挑战，进入21世纪，随着工业系统的进一步发展，人类社会对于不可再生资源的使用需求越来越大，煤、石油和天然气等不可再生资源的存储量越来越少。与此同时，化石燃料的使用也造成了环境污染的问题，汽车尾气，工业废气等是全球气候变暖的主要原因。因此大力发展可再生资源，实现可持续发展，成为世界各国的研究热点。海洋上蕴含着丰富的风能，太阳能等可再生资源，对于远洋船舶的能源系统改善有指导性的意义。传统船舶采用柴油等化石燃料作为动力来源，尽管具有技术成熟，成本较低等优势，但是仍面临着能源短缺等问题。在船舶的正常运行过程中，传统能源产生的废水，废气等污染物会对海洋生态环境造成不利的影响。因此改善船舶动力系统的能源结构，大力发展可再生能源具有重要的意义。

关键词：风力发电机；绝缘失效原因；改进措施

引言

近年来，随着技术成本不断优化和价格竞争力逐年提升，风力发电全球装机范围不断扩大、容量也实现快速增长。然而，风电机组装机环境随之变得复杂、多样和严酷，这给发电机绝缘系统的可靠性带来了严峻挑战。研究表明，除传统意义上的振动、温升、机械应力等老化因子外，伴随新型半导体变流技术应用而产生的复杂电应力，以及环境因素如冷热冲击、潮湿、盐雾等也在风力发电机绝缘系统失效模式中发挥着越来越不容忽视的作用。开展绝缘系统运行环境和失效模式的特殊性研究，是风力发电机绝缘系统改进、优化的重要前提，对降低发电机绝缘故障发生概率和运维成本，提高机组可利用率具有重要意义。本文对风力发电机绝缘系统故障的损失影响进行了阐述；对发电机运行条件和绝缘失效原因进行了汇总和分析；在此基础上，提出了风力发电机绝缘优化改进措施。

1风力发电机的类型

在风力发电的过程中，风力发电机是非常重要的硬件设备。只有整体保障风力发电机的运行质量，才能最大程度提升风力发电的运行效率。在实践过程中，风力发电机的类型是比较多元化的，根据不同的分类标准以及分类方法，可以划分为不同的种类。在风力发电机的分类过程中，按照它的运行特征，可以将其分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机、变速风力发电机等。这些不同类型的风力发电机，在实际运行过程中表现出独特的属性和特征。

1.1恒速风力发电机

恒速风力发电机采用了笼型异步发电机，发电机通过变压器直接接入电网。因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，所以通常称之为恒速风力发电机。这类风力发电机在实际运行的过程中具有非常显著的优势，但也存在着不足和缺陷。比如该发电机运作的过程中，对于额定功率的要求比较高，同时为了产生旋转磁场，还有可能恶化了电网的功率因数，继而造成不必要的运行问题，也影响着该风力发电机的整体运行安全。在实际运行过程中，为有效解决这一问题，一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。在风力发电的过程中，运用这一类型的发电机，能够有效保障建设成本。该发电机的整体结构相对比较简单，运行环境以及流程等也相对比较简单。在该类型发电机的实际运行过程中，它的整体可靠性也比较强。正因为这些明显的优势，使得该类型的风力发电机得到了较大的推广应用，这也在很大程度上推动了社会经济的发展以及风电事业的进步。但随着风电事业的持续发展，这一类型的发电机在实际应用过程中，它的劣势不断显现出来，严重制约着风电事业的进步。为弥补它的不足和缺陷，人们常常配置2台这类型发电机，以此来发挥相互弥补、相互完善的作用。

1.2有限变速风力发电机

在实践应用过程中，这一类型的发电机也比较广泛。同上述发电机类似，这类风力发电机同样具备明显的优缺点，在实际应用过程中应该尽可能做到趋利避害，以此来充分发挥它的优势和作用，科学规避它的不足。该风力发电机的核心特点在于变速的有限性。在异步发电机的应用过程中，该类型的发电机采用绕线式的模式。其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率，使发电机的转差率可增大至10%，实现有限变速运行，提高输出功率。在采用这一类型的发电机的过程中，应该整体保障它功率输出的稳定性与可靠性。输出功率的稳定性与否，直接关系着该类型发电机的整体使用成效。因此，在实践过程中有必要采用科学的措施来保障它的运行效率，同时优化它的运行状态，更好地提升运行功率的稳定与平稳。特别是阵风天气状况下，若没有做好科学的防护以及防范等工作，就可能对电网产生影响。当风速较大时，电网的能量保障供应到位，电网运行速度以及容量都比较大。当风力条件减弱时，电网的输出功率就会受到严重的影响和制约。因此，科学采用这类风力发电机，能够在很大程度上减少风力条件对电网的影响和扰动。在实践过程中，为更好地保障它的运行可靠性与稳定性，常常需要通过外在的电阻来进行相应的调控。外电阻的方式虽然保障了整个电网的运行平稳性，但却容易造成资源的不合理流失和浪费，甚至直接影响风力发电的整体效能。因此，在采用这类风力发电机的过程中，应该结合这方面的问题进行深入全面地分析与把控，以此来整体优化它的应用成效。

2绝缘失效原因分析

2.1材料优化

从风力发电机普遍采用变频器供电的角度考虑，设计时需要强化匝间绝缘材料的耐电晕性能。采用成型绕组的兆瓦级风力发电机匝间绝缘通常采用耐电晕薄膜烧结或云母带绕包两种设计。得益于材料廉价、起晕电压高和耐电晕寿命长等优点，云母绕包设计应用相对更为广泛，适合风力发电机这种对匝间绝缘减薄要求不高的领域。此外，发电机绝缘性能在很大程度上也取决于所选ＶＰＩ树脂体系。从目前风电制造行业使用最多的３种主流ＶＰＩ树脂体系：聚酯亚胺、环氧树脂以及环氧改性不饱和聚酯的性能对比看，后者克服了环氧树脂耐热低的缺点，粘接强度和机械性能又比聚酯亚胺具有优势，有助于绝缘结构抵抗因温度交变产生的热机械应力老化作用，在风电行业具有更大应用潜力。

2.2结构优化

对离岸型风机，盐雾腐蚀绝缘结构主要通过两个途径，一种是从绝缘结构通道（如气隙等）进入，由内而外腐蚀铁心及绝缘；另一种是突破绝缘表面防护，从外到内对绝缘和冲片进行腐蚀。对前者来说，可以通过改善ＶＰＩ浸漆效果（如采用两次ＶＰＩ浸漆工艺等），减少绝缘结构性通道和孔隙；而对于后者来说，在发电机定转子表面涂覆具有耐盐雾腐蚀作用的绝缘涂料（氟硅橡胶、氟碳磁漆等），可以显著提高发电机绝缘结构的耐盐雾性能，最终提高绝缘结构的整体性和发电机长期运行的可靠性。

2.3工艺优化

通过对永磁直驱发电机结构设计和工艺方案的研究分析，提出了一些提高绝缘整体性和密封性的工艺改进措施，包括：（１）加强线圈引线头绝缘；（２）改进焊接处绝缘包扎方式；（３）接头焊接台阶处做好适形填充；（４）引线根部及线圈鼻端加垫绝缘；（５）优化工艺并减少焊接时间；（６）线圈端部及端环补浇绝缘漆；（７）嵌线翻槽工艺优化等。此外，考虑ＶＰＩ工艺的重要性，采用二次浸漆，或者通过对真空／压力参数、滴漆时间、旋烘转速等参数的优化组合，提高ＶＰＩ工艺合理性也具有不错的效果。

结语

船舶风力发电机组是利用海上丰富的风能资源进行电力系统优化升级的重要设备，在船舶风力发电机组的运行过程中，受到海上恶劣的湿度、温度条件以及船舶自身的振动等因素影响，船舶风力发电机的稳定运行必须要配置相应的状态监测系统，对船舶风力发电机的运行状况进行实时的跟踪。

参考文献

[1]陈家海.基于大电感永磁发电机的小型风力发电系统研究[D].大连：大连海事大学，2016.

[2]陈光普.风力发电并网技术及电能质量控制策略[J].科学中国人，2016（33）.