文|楊井潤，何志強(qiáng)，許雄偉，丁松，譚啟明

變流器作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，保障其性能穩(wěn)定至關(guān)重要。如果變流器出現(xiàn)故障，傳統(tǒng)的故障處置方法是通過運維人員多次登機(jī)排查來確認(rèn)故障源并進(jìn)行處置。這種處理思路會造成故障處置時間長、風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時間長，多次登機(jī)排查還會影響運維人員的身體健康。因此，在現(xiàn)場運維中亟需找到一種科學(xué)有效的方法以提升風(fēng)電機(jī)組故障源確認(rèn)速度、減少故障處置時間和風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時間，并降低運維人員登機(jī)排查次數(shù)。

應(yīng)用虛擬示波器軟件技術(shù)對從風(fēng)電機(jī)組變流器下載的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，提取有用信息進(jìn)行綜合判斷，根據(jù)最終形成的診斷結(jié)論進(jìn)行精準(zhǔn)化故障處理即是一種經(jīng)過實踐的有效方法。目前這一技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)變流器故障診斷應(yīng)用中尚處于初期，在風(fēng)電行業(yè)還未得到充分應(yīng)用，風(fēng)電場運維人員對此了解較少。

本文以內(nèi)蒙古某風(fēng)電場35#風(fēng)電機(jī)組變流器過流故障為例，使用CSR-Drive虛擬示波器軟件的故障波形子模塊對風(fēng)電場典型故障進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)故障日志查找故障原因并進(jìn)行故障處置。

CSR-Drive軟件簡介

CSR-Drive是一款集監(jiān)控、司控操作和故障數(shù)據(jù)分析于一體的虛擬示波器分析軟件，分為系統(tǒng)設(shè)置、軟件管理、慢速數(shù)據(jù)波形、實時波形監(jiān)視、司控臺和故障波形六個模塊。其利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。本文中使用的虛擬示波器軟件具有高分辨率、高精度、事件可精確記錄和回看的特點，利用虛擬示波器軟件中的專有功能，風(fēng)電場運維人員可以對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，進(jìn)而精準(zhǔn)定位故障的根本原因，為風(fēng)電機(jī)組變流器故障診斷提供強(qiáng)有力的理論指導(dǎo)與信息支持，大大縮減故障處理時間和成本，大大提升故障處理效果，產(chǎn)生明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

變流器工作原理及參數(shù)

圖1 CSR-Drive軟件

表1 WT1650型機(jī)組雙饋變流器的主要電氣參數(shù)

位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市的某風(fēng)電場，共安裝有75臺WT1650型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組的主要電氣參數(shù)如表1所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器電網(wǎng)電壓為690V，允許波動范圍為±10%。變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，采用的是ACDC-AC背靠背的結(jié)構(gòu)。由圖2可以看出，變流器一端連接于電網(wǎng)，另一端連接于雙繞組發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)，變流器的作用就是向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供變頻、變幅、變相位的勵磁電流，以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速變化的情況下輸出頻率恒定、功率可控的電能，同時在電網(wǎng)需要無功功率時，可控制發(fā)電機(jī)定子向電網(wǎng)輸出一定容量的無功功率。

變流器故障分析

2016年5月，該風(fēng)電場35#風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器發(fā)生故障?，F(xiàn)場技術(shù)人員通過SCADA客戶端查看風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制面板的信息發(fā)現(xiàn)，機(jī)組所報出的故障代碼1為536，描述為由功率變頻器發(fā)現(xiàn)的故障；故障代碼2為513，描述為由功率變頻器測試發(fā)現(xiàn)的脫網(wǎng)；同時查閱變流器菜單中子故障代碼為99，描述為電網(wǎng)故障；存儲故障代碼為171，描述為ADOCF2A（FPGA檢測到變流器B相AD采樣過流）。風(fēng)電場技術(shù)人員使用專業(yè)軟件CSR-Drive進(jìn)行分析來獲取最有價值的故障信息，具體步驟如圖3所示。

通過上述專用軟件CSR－Drive下載變流器故障數(shù)據(jù)，對故障時波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

一、對變流器機(jī)側(cè)三相電流和Crowbar直流電壓進(jìn)行分析

圖2 變流器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)電機(jī)組變流器故障分析方法流程圖

故障時的變流器機(jī)側(cè)電流波形如圖4所示，Crowbar直流電壓如圖5所示。綜合分析圖4、圖5可知，變流器機(jī)側(cè)三相電流前后共出現(xiàn)3次故障沖擊電流。第1次：機(jī)側(cè)B相電流在-906至-904ms出現(xiàn)了故障電流，其最高電流達(dá)到960A，由于機(jī)側(cè)B相電流值過大觸發(fā)了Crowbar單元；第2次：機(jī)側(cè)C相電流在-395至-382.5ms出現(xiàn)了故障電流，其最高電流達(dá)到1075A；機(jī)側(cè)A相電流在-395至-380ms出現(xiàn)了故障電流，其最高電流達(dá)到-1150A；第3次：機(jī)側(cè)B相電流在-329至-317ms出現(xiàn)了故障電流，其最高電流達(dá)到1150A；機(jī)側(cè)A相電流在-329至-317ms出現(xiàn)了故障電流，其最高電流達(dá)到-1050A。由于機(jī)側(cè)A、B相電流值過大觸發(fā)了Crowbar單元。變流器總體故障時間段為-906至-317ms，GSC徹底關(guān)斷時刻為-292ms。分析機(jī)側(cè)三相電流可知，變流器機(jī)側(cè)A、B、C三相均發(fā)生過電流故障，由此可以判定變流器機(jī)側(cè)模塊或者發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)回路（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)滑環(huán)—連接電纜）有故障。

二、對變流器網(wǎng)側(cè)三相電流進(jìn)行分析

圖4 變流器故障時機(jī)側(cè)三相電流波形圖

圖5 變流器故障時Crowbar直流電壓波形圖

圖6 變流器故障時網(wǎng)側(cè)三相電流波形圖

故障時的變流器網(wǎng)側(cè)電流波形如圖6所示。分析圖6可知，變流器網(wǎng)側(cè)三相電流在故障期間總體故障時間為-907至-315ms。網(wǎng)側(cè)A相電流共發(fā)生過流10次，最大電流可達(dá)850A；網(wǎng)側(cè)B相電流共發(fā)生過流10次，最大電流可達(dá)-900A；網(wǎng)側(cè)C相電流共發(fā)生過流11次，最大電流可達(dá)900A；LSC徹底關(guān)斷時刻為-314ms。分析網(wǎng)側(cè)三相電流可知，變流器網(wǎng)側(cè)A、B、C三相均發(fā)生過電流故障，由此可以判定變流器網(wǎng)側(cè)模塊有故障。

三、對電網(wǎng)三相電流進(jìn)行分析

故障時的電網(wǎng)三相電流波形如圖7所示。分析圖7可知入網(wǎng)電流的詳細(xì)信息，在變流器故障時間段-906至-676ms，電網(wǎng)A相電流共發(fā)生過流故障3次，最大電流可達(dá)5450A（已達(dá)電流測量上限）；電網(wǎng)B相電流共發(fā)生過流故障4次，最大電流可達(dá)5450A（已達(dá)電流測量上限）；電網(wǎng)C相電流共發(fā)生過流故障4次，最大電流可達(dá)5450A（已達(dá)電流測量上限）；塔基斷路器的斷開時刻為-676ms。由電網(wǎng)三相電流分析得知，電網(wǎng)A、B、C三相均發(fā)生過電流故障，斷路器及時切斷故障電流防止了故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，由此可以判定發(fā)電機(jī)定子繞組或電網(wǎng)線路發(fā)生故障。塔基斷路器沒有出現(xiàn)拒動的現(xiàn)象，斷路器功能完好。

四、對變流器直流母線電壓進(jìn)行分析

故障時的變流器直流母線電壓波形如圖8所示。由圖8可知，變流器直流電壓的故障總體時間段為-885至-164ms，故障時刻為1100V。其中在-884至-650ms時發(fā)生跌落，最低至772V，跌落原因為變流器網(wǎng)側(cè)平均電流大于變流器機(jī)側(cè)平均電流；在-650至-164ms時發(fā)生上漲，最高達(dá)1227V，上漲原因為變流器機(jī)側(cè)平均電流大于變流器網(wǎng)側(cè)平均電流。

五、對電網(wǎng)電壓進(jìn)行分析

故障時的電網(wǎng)電壓波形如圖9所示。分析圖9可知，電網(wǎng)電壓在-906ms發(fā)生了嚴(yán)重沖擊，甚至跌落至零，電網(wǎng)電壓的波形發(fā)生紊亂，機(jī)組中的定子接觸器、網(wǎng)側(cè)接觸器斷開時刻為430ms，在塔基的輔變柜中斷路器的斷開時刻為-676ms。

六、對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析

故障時的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖10所示。從圖10轉(zhuǎn)速趨勢可以看出，故障前轉(zhuǎn)速為1810rpm，在-640ms時刻開始上升到1870rpm，這是由于系統(tǒng)脫離了電網(wǎng)，電磁負(fù)載銳減，傳動鏈系統(tǒng)的能量稍有積聚，屬于正常超速。

圖7 變流器故障時電網(wǎng)三相總電流波形

圖8 變流器故障時直流電壓波形圖

圖9 變流器故障時電網(wǎng)電壓波形圖

圖10 變流器故障時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

通過上述波形分析，在-906至-676ms間，由于發(fā)電機(jī)定子繞組損壞導(dǎo)致電網(wǎng)三相電流出現(xiàn)過流現(xiàn)象，受此影響，電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落，變流器機(jī)側(cè)B相也出現(xiàn)了過電流故障，并觸發(fā)了Crowbar回路對轉(zhuǎn)子進(jìn)行泄能，變流器直流母線電壓下降至772V，變流器網(wǎng)側(cè)三相電流發(fā)生了過電流故障。隨后，由于變流器機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)電壓在-500ms時數(shù)值跌落至正常范圍，主控對故障進(jìn)行了自復(fù)位，變流器啟動。首先對直流母線進(jìn)行了預(yù)充電，由于發(fā)電機(jī)定子繞組已經(jīng)損壞，使得變流器機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)電壓電流值再次過流，其中變流器機(jī)側(cè)達(dá)到1000A以上，變流器網(wǎng)側(cè)達(dá)到900A，因變流器機(jī)側(cè)平均電流大于變流器網(wǎng)側(cè)平均電流，直流母線電壓抬升至1227V，此時再次觸發(fā)Crowbar回路對轉(zhuǎn)子進(jìn)行泄能。因此可以判定該故障由發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣損壞導(dǎo)致，可能會連帶導(dǎo)致Crowbar回路損壞。

變流器故障處置

通過系統(tǒng)分析，可確定35#機(jī)組所報出的變流器機(jī)側(cè)過流故障，主要是有兩個故障源，一個是發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣損壞，另一個則是Crowbar回路異常。

駐現(xiàn)場的風(fēng)電機(jī)組運維人員登機(jī)，使用絕緣電阻測試儀對發(fā)電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子繞組的絕緣性進(jìn)行了檢查。測得的發(fā)電機(jī)定子繞組的U相對地電阻為131kΩ，V相對地電阻為<<69.7kΩ，W相對地電阻為143kΩ；轉(zhuǎn)子繞組的K相對地電阻為32.3GΩ，L相對地電阻為21.4GΩ，M相對地電阻為28.1GΩ。檢查發(fā)電機(jī)定子側(cè)電纜，發(fā)現(xiàn)有兩相電纜存在破皮現(xiàn)象，同時能聞到一股焦糊味。由此可以判定，發(fā)電機(jī)定子繞組對地絕緣已經(jīng)損壞，需要更換發(fā)電機(jī)。

現(xiàn)場運維人員完成發(fā)電機(jī)更換工作后，啟機(jī)過程中報出變流器故障，故障代碼1為536，描述為由功率變流器發(fā)現(xiàn)的故障；故障代碼2為513，是由功率變流器測試發(fā)現(xiàn)的脫網(wǎng)；變流器子故障為電網(wǎng)故障；變流器存儲故障為172（FPGA檢測到變流器C相AD采樣過流）。再次進(jìn)行手動Crowbar測試，發(fā)現(xiàn)聲音異常，說明GSC確實過流。手動進(jìn)行變流器靜態(tài)測試，GSC ON大約兩分鐘后報出故障，變流器存儲故障為8（網(wǎng)壓過壓）及170（FPGA檢測到變流器A相AD采樣過流），現(xiàn)場使用萬用表再次對發(fā)電機(jī)進(jìn)行絕緣測試，測得轉(zhuǎn)子、定子對地為∞Ω，使用絕緣測試儀測量轉(zhuǎn)子、定子值分別為18.3GΩ、10.3GΩ，可以判定發(fā)電機(jī)絕緣正常。甩開Crowbar單元再次做Crowbar測試，無過流聲音，報故障代碼為525、536，對機(jī)組做變流器靜態(tài)測試，無過流聲音，報故障代碼為525、536，由以上信息可以判定過流故障點在Crowbar單元。使用絕緣電阻測試儀1000V檔測試二極管反向電阻未發(fā)現(xiàn)異常，而使用絕緣電阻測試儀2500V檔再次測試二極管反向電阻時，發(fā)現(xiàn)二極管第C組的電阻值存在異常，為766MΩ，而二極管第A組及B組的電阻值分別為2.89GΩ和4.33GΩ。更換Crowbar控制柜內(nèi)的第C組二極管后，再次嘗試啟機(jī)，機(jī)組最終成功并網(wǎng)運行。

結(jié)論

總結(jié)此次35#機(jī)組所報出的變流器機(jī)側(cè)過流故障，可以發(fā)現(xiàn)主要是由兩個故障點引起，一個是發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣損壞，另一個則是Crowbar控制柜內(nèi)的第C組二極管損壞。在風(fēng)電場中引起變流器故障的因素一般比較復(fù)雜而且隱蔽，現(xiàn)場運維人員僅憑常用的維護(hù)工具，往往難以在第一時間快速診斷故障點，而使用本文所述的虛擬示波器軟件技術(shù)，可以起到事半功倍的效果，能夠及時解決變流器故障引起的機(jī)組停機(jī)，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及時恢復(fù)運行。