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风力发电机绝缘失效原因及改进措施孙明东

摘要：随着国内风力发电容量增加，风力发电机故障较为常见。文中分析锋利

发电机特点，探讨风力发电机绝缘失效原因，结合实际情况给出解决绝缘失效问

题的措施，保证风力发电机正常运行。

关键词：风力发电机；绝缘失效；改进措施

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。

、风力发电机运行原理1

双馈感应发电机的结构与绕线式感应发电机类似，根据电机学原理可知，其

定子和转子上都是对称的三相绕组，其定子绕组和普通交流电机的定子相似，转

子绕组上另加有滑环和电刷，从而转子侧的能量可实现双向流动，可以输入和输

出电能，所以称为双馈感应电机。

图1双馈风力发电机组原理

双馈风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、交流励磁双馈感应发电机和双向

PWM变换器等部分组成。其具体结构如图1所示。双馈感应发电机的定子绕组

直接与电网连接，则转子绕组需经过变换器，再接一个幅值、相位、频率可调节

的三相电源。双向PWM网侧的变换器主要输入网侧单位功率因素，不从电网吸

收无功功率以此减少谐波，并且能够保证直流电压稳定；DFIG的励磁控制则需转

子侧变换器来实现，其跟踪最大风速，通常需按定子磁链定向来完成控制。其控

制功率因素的同时，也实现了对有功功率和无功功率的分别控制。

当外界条件改变，风速发生波动时，通过齿轮箱，双馈电机的转速将发生变

化。若将进行调整，就能保持恒定。若定子频率与电网频率相等，从而双馈感

应发电机就可实现恒定频率控制。同时双馈感应电机有三种工作方式：当转子机

械旋转角速度低于同步转速时，其处于亚同步运行，式（1）取正号，此时变流

器向转子输入有功功率，给予正序励磁，则变流器从电网吸收能量；当转子的机

械旋转角速度高于同步转速时，其处于超同步运行，式（1）取负号，此时变流

器从转子吸收有功功率，给予反序励磁，则变流器为电网回馈直流侧的能量；当

转子的机械旋转角速度与同步转速相等时，其处于同步运行状态。

、风力发电机绝缘失效原因分析2

高频脉冲2.1的影响

采用高速永磁或直驱永磁技术的发电机定子、以及双馈发电机的转子与变流

器直接相连，绕组匝间绝缘、对地绝缘都承受了较为苛刻的电应力。与正弦电压

相比，变频器输出的脉冲方波在绕组绝缘上产生的电应力主要有两点不同：一是

脉冲电压在线圈上分布不均，尤其目前很多机组采用变流器置于塔底的设计，极

大增加了机侧电缆长度，绕组首末匝线圈因此可能承受最高80%的过电压幅值，

远超平均匝间电压的10倍以上；二是电压幅值、形状、极性等有很大差异，高

频脉冲方波更易引起绝缘内部产生局部放电，诱发介质损耗发热、空间电荷和臭

氧氧化效应，提高聚合物材料的老化分解速度，进而导致绝缘过早失效击穿

潮湿2.2的影响

风力发电机属户外运行电机，因运行气候条件恶劣，防护等级低等原因，绕

组容易受潮，部分案例甚至出现被雨水淋湿的极端情况。电机设计、绝缘工艺处

理不当，或绝缘过早老化，结构内部将会产生间隙、微孔或分层。此时，因扩散

或“呼吸”作用，潮湿空气渗入绕组，将会威胁电机安全运行。

以大型永磁直驱风力发电机为例，对其结构特点进行了总结，认为下述几个

问题容易导致绝缘出现薄弱环节：（1）定子线圈数量多、节距小；（2）嵌线、

并头、连线空间狭小、操作不便；（3）定子体积大、转运困难导致VPI滴漆时间

延长。以上3个特点导致直驱发电机定子绝缘处理工作量大、一致性难以保证，

对产品的批量制造质量控制和长期稳定运行增加了不小的难度。

温度交变2.3的影响

由于风资源的不稳定性，风机频繁启停和昼夜温差产生的温度交变、冲击将

会带来周期性的热机械应力作用，严重影响发电机绝缘系统的整体性。特别在机

组大型化趋势下，电机轴向长度加长，金属及绝缘材料热膨胀系数不匹配带来的

影响会导致上述问题进一步加剧。

认为热机械应力周期作用促使绕组绝缘树脂粘结力降低，绝缘层间分层、周

向裂纹，绕组变形引起机械损伤等老化现象发展并累积，最终完全破坏绝缘。同

时，标准规定了一个温度交变循环试验（通常要求开展500周期以上），用以验

证绝缘结构对热机械应力老化的抵抗能力。

、风力发电机绝缘3失效的解