王 亭

（明阳智慧能源集团股份公司，广东中山 528400）

0 引言

齿轮箱是非直驱型风力发电机组的核心设备，承担着传递扭矩及增加转轴转速的功能。在某种程度上，齿轮箱的正常与否直接关系到风电机组的安全稳定运行。在出厂交付至风电整机商之前，齿轮箱一般会经过各类功能与性能测试，合格后方可顺利出厂。随着风电机组的投入并网运行，齿轮箱在多年长期带负荷运行过程中，有可能会出现磨损异常，本文则以存在磨损的机组为例，通过分析齿轮箱相关参数，找出在齿轮箱磨损上，机组参数的真实表现。据此可以反映齿轮箱的磨损程度，必要时则启动停机检修流程，避免齿轮箱的故障持续扩大，防止带来更大的损失。

安装某机型的风电机组的风场，自并网投运以来，其运行状况一直良好。而其中某台机组（以001#机组命名编号）在近期的例常巡检中，发现其负荷出力相较其他机组略微偏低。经全面检查，确认该风机齿轮箱存在磨损异常，故以该机组为例，分析该机组在刚投入和发生磨损故障后部分参数的变化，进而得出齿轮箱磨损故障的数据特征。

1 润滑油箱油位

齿轮箱中的润滑油在机组正常运行期间，一方面在齿轮箱的齿间形成油膜、防止干磨，一方面带走齿轮箱运行过程中产生的热量，所以润滑油在一定程度上可以反映齿轮箱的运行状态。调取出现齿轮箱磨损的风机润滑油液位观察后可以发现，在机组刚投入运行和发生磨损故障异常后润滑油油位出现较大偏差，且整体呈现上升趋势（图1）。

图1 齿轮箱磨损的风电机组油位时序图

发生磨损故障后，齿面上的碎屑会落入齿轮箱底部，此时润滑油油箱的油位会随之发生变化，随着故障的严重程度加剧，油位的上涨趋势也愈发明显（已剔除计划性的润滑油加注的影响）。

如果风电机组齿轮箱存在断齿故障，则进入润滑油油箱中杂物会更多，此时润滑油油箱油位上升趋势会更加明显，且油位的上涨趋势剧烈，所以通过油位的上涨，则可以判断机组是否存在磨损或者断齿异常，当然此时需要排除是人为加注润滑油导致的油位突然上涨。

2 齿轮箱轴承温度及润滑油温

齿轮箱发生磨损前后，碎屑会堵塞滤网并会影响齿轮的啮合情况。对齿轮箱润滑油系统进油口A1～A4 口油压的均值等重要数值进行统计分析，以查找异常趋势，相关数据见表1。其中，时段1 是风力发电机组投运初期，时间段2 则是与故障机组发生齿轮箱磨损故障后相同的时间区间（下同），并且时间段2 要求发电功率大于3000 kW。

表1 001#机组润滑油压重要数据统计分析

通过表1 可知，齿轮箱A1～A4 口的油压在故障发生前后，其在最大值、最小值、均值、中位值以及方差数值变化趋势是一致的（同时增大或同时减小）。

另外，润滑油压方差，故障发生后基本为故障发生前的2 倍以上，相关数据也说明，齿轮箱磨损的机组其油压在数值分布更加分散。从系统角度来看，齿轮箱磨损会对原有系统的稳定性造成较大影响。

3 齿轮箱轴承温度及润滑油温

从图2 可以看出，齿轮箱主轴承温度、发电机前后轴承温度在磨损故障发生前后，其数值并未出现明显的上涨，但由于轴承产生的热量被润滑油冷却系统带走，所以有可能齿轮箱磨损会导致轴承运行期间产生的热量增加，但由于受润滑油冷却系统的影响，轴承温度升高的异常并未凸显，而在润滑油冷却系统上会有所体现。

图2 001#机组轴承温度趋势

为此，进一步分析润滑油冷却系统。从图3 可以看出，冷却风扇启停在风电机组刚投运初期，启动次数明显少于齿轮箱磨损故障发生后（风扇运行时信号为“1”，停运时为“0”）。由于风电机组润滑油冷却系统的控制逻辑并未发生改变，这说明齿轮箱在发生磨损后产生的热量明显多于投运初期。

图3 齿轮箱油温及冷却风扇启停时序图

为从数据上说明风扇运行情况的变化，本节将选取该故障风机以及2 台正常风机M、N 机组进行对比，其中筛选发电功率大于3000 kW的一段时间的运行数据，计算在该功率区间下的累计运行时长及风机运行时间占比进行对比分析，齿轮箱磨损异常的机组，数据分析结果见表2。其中，时段1 是风力发电机组投运初期，时间段2则是与故障机组发生齿轮箱磨损故障后相同的时间区间（下同）；冷却风扇累计运行时长/机组运行时长。

从表2 可以看出，在时间段1，3 台机组的所处的环境温度大致相同，此时冷却风扇运行时间占比相差不大，其中001#机组略微偏大；但在时间段2，虽然3 台机组所处的环境温度也大致相同，但此时001#机组的冷却风扇运行时间占比与M、N 两台机组差距已明显增大最大偏差达8.62%，而M、N 两台机组的运行时间占比相差不大，偏差仅0.90%。说明在时间段2，存在齿轮箱磨损的001#机组，其需要带走的热量明显已多于另外两台机组。

表2 3 台机组润滑油冷却风扇运行时长占比统计分析

4 发电折算功率对比分析

一般情况下，当环境风速小于额定风速时，风力发电机组的功率随风速的增加而增大；当环境风速大于额定风速后，风力发电机组叶片经变桨系统的控制，其机组功率不再随风速的增加而增大，转而维持在额定负荷。所以，为了评估齿轮箱磨损对风力发电机组的影响，其环境风速不能大于额定风速，否则无法评估齿轮箱磨损对发电折算功率的影响。

本节将选取风速在一定范围内（低于额定风速），计算在该风速区间内的累计并网运行时长，对故障发生前后的发电量分别进行统计，并计算其折算功率（发电量/并网运行时长）。可知该机组在风速大于10.5 m/s 时即可实现满发，功率已达到上限。故为甄别齿轮箱磨损对发电机折算功率是否存在影响，本文选取风速为8～9 m/s（低于额定风速），计算在该风速段内并网运行累计时长、发电量，并在此基础上计算折算发电功率（表3）。

表3 001#机组在选定风速内运行情况分析

从表3 可以看出，齿轮箱磨损异常发生后发电机折算功率比投运初期时间段内减少了190 kW，前后变化比例为6.7%。

为综合分析数据，对该风场其他2 台风机（正常运行）在选定风速内（8～9 m/s）也进行发电折算统计分析。在选定风速段内，选取了2 个时间段，X、Y 机组发电折算情况对比分析见表4。

从表4 可以看出，在上述两个时间段内，X 风机折算功率变化为91 kW，相较于齿轮箱磨损的故障机组变化也较小；在上述两个时间段内，Y 机组折算功率变化为-35 kW，同样相较于齿轮箱磨损的异常机组变化也较小。

表4 X 机组和Y 机组在选定风速内运行情况分析

一般来说，齿轮箱发生磨损故障，其啮合效率会降低，从轮毂传递过来的机械能一部分会转化为热能散失掉。而从本节分析出来的数据结论来看，出现齿轮箱磨损机组的发电折算功率变动较为明显，X、Y 两台正常的风电机组发电机折算功率波动则明显较小。

5 结束语

从重要参数齿轮箱油位、齿轮箱油压、齿轮箱轴承温度、润滑油油温与冷却风扇启动情况以及发电折算统计分析可以得知，对于存在齿轮箱磨损故障的机组，其在参数方面，故障发生前后会有不同程度的异常。针对齿轮箱磨损异常，其监控状态数据异常特征可以总结如下：

（1）齿轮箱油位变化趋势比较明显，即当出现磨损时其一般会呈现逐渐上涨的趋势。

（2）齿轮箱油压也会出现波动，但需要考虑磨损的位置对A1～A4 口具体影响。

（3）齿轮箱轴承温度和润滑油温在异常发生前后，其趋势并未发生较大波动，而润滑油冷却风扇运行时长占比上涨明显，这说明由磨损引发的故障效应，最终在冷却风扇的作用下将热量传递至自然环境。

（4）通过计算发电折算功率，可以大致看出，发电机在齿轮箱磨损异常后传动效率也会下降。