风力发电设备的无损检测技术

风力发电设备的无损检测技术

王,琨

大唐陕西发电有限公司新能源分公司，陕西 西安 710000

摘要：无损检测技术在电力发电设备大修中应用越来越广泛，应用效果也越来越理想。为此，采用监测风电系统的状态，对塔筒进行无损检测，对发电机设备进行测试，对齿轮箱寿命进行评估，并对电力电子设备和发电机进行测试，能够更深入的了解到当前我国风力发电无损检测技术的应用状况，进而确保我国风力发电事业的持续发展。

关键词：风力发电；发电设备；无损检测技术

开展风力发电设备无损检测与健康监控，是提高风力发电设备使用寿命，减少风力发电设备发电及维护成本行之有效的方法。风力发电集计算机技术，空气动力学，结构力学及材料科学于一体，以风力发电系统为对象进行无损检测与健康监控，是一项复杂而综合的系统工程。在我国能源战略亟待从以煤为主转变为以绿色能源为主的关键时刻，发展我国风力发电系统无损检测与健康监控水平，打造了一套拥有自主知识产权尖端技术来提升风力发电系统寿命与稳定性、降低故障损失。

1 无损检测技术概述

无损检测在冶金条件下对表面或者内部缺陷或者材料完整性进行评价，它不对材料的损伤或者是否适用产生任何形式的扰动。按材料及组件应用状态，划分为各种评估方法。目前已有多种无损技术或者方法可实施于金属，塑料，陶瓷，复合材料，金属陶瓷及涂层等表面，用于鉴别裂纹，内部空隙，表面空洞，分层，不完全等缺陷、缺陷焊缝及任何会造成过早失效。目视检查对检测焊接不良等宏观缺陷尤为有效，也适用于检测各种复合结构和管道中的缺陷。

射线照相技术比其他一些无损检测方法有许多优点，由于射线照相技术对射线照相物体内部健全性有永久的参考作用，而且从源发出的X射线对金属有穿透作用。但是这一无损检测方法并不流行，但是这一技术却适合用于黑色金属、有色金属等材料中缺陷的检测。由电生成的X射线越厚吸收越多。液体渗透测试技术建立在液体经毛细作用吸入清洁表面破裂缺陷能力之上。

常用这种检测技术的检测材料有金属（铝、钢、钛、铜等），玻璃，多种陶瓷材料，橡胶，塑料等。对于铁构件，通常采用磁粉探伤代替其他探伤能力。液体渗透检测技术在铸造，锻造，焊接等表面缺陷检测中的应用。渗透剂可采用浸渍，喷涂或者刷涂等方法作用于测试部件或者试样，以确保充分渗透时间之后，除去多余渗透剂和施加显影剂。采用显影剂最大的好处就是帮助把渗透剂拉出缺陷。

2 风力发电设备无损检测技术及应用

2.1 监测发电机与电力电子设备

风力发电机主要由电力电子和电磁组成，该类组件的可靠性是考核风电设备检测水平高低的一个重要标志。风力发电设备在工作时，由于受到振动，湿度，温度和封装形式的作用，其内部构件会受到一定的冲击，严重时还会使部件受损。风力发电设备采集到的风能首先通过叶轮然后通过主轴和齿轮箱并通过发电机转化为电能。风力机叶片为弹性体，叶片结构受风力影响能形成上行空气动力和惯性力，交变性不能确定且随机性大。在力的耦合作用下，由于不可抗力的振动，发电机产生自激共振，称为颤振。若颤振呈发散状态则会造成风力发电设备的破坏。再加上风力发电机组在运行中会由于多种原因引起很大的振动，振幅和振动频率大于风机荷载就会影响风机的平稳运行。当前，适用于风力发电设备无损检测的途径主要有：热成像技术，电磁传感技术和扫地雷达技术，也可以采用模态分析法来评价系统的稳定性和寿命，从而提升风力发电机故障探测的科学性。

除了风电机的机械部分容易对设备产生破坏外，风力，温差和潮湿条件等因素都可能使线路绝缘耐压降低，腐蚀和接触电阻故障。风力发电机及电力电子元件电子类故障，涉及定子线圈绝缘故障，转子故障，激励线圈绝缘故障。转子及顶底电路的故障主要有线圈断裂，线路短路，线圈匝间短路或者相位对位短路，而焊接点的松脱也可能引起线路故障。传统的电动机电流信号分析法不能适应发电机运行过程中的离线测试，也不能满足装置停机后的大修。就电力电子而言，电流流过半导体器件时因功率损失而产生的热量是造成发电机元件破坏的重要原因，而工作电压和载流能力不断提高的大环境中，温度与检测系统在电力电子设备的可靠性评估中有着十分显著的作用。因此，当前风力发电机实时监测的技术和方法还面临着严峻的挑战，需要增加无损检测技术的研究，实现电力电子系统的实时监测和控制。

2.2 预估齿轮箱寿命

常规情况下风力发电设备齿轮箱多采用铝合金材料和不锈钢材料，能够承受很大的循环负荷，但易造成设备疲劳磨损。风力发电设备所在的海域一旦发生风力骤变或者有腐蚀性的海洋活动就会使设备因为腐蚀产生裂纹，这样的问题均会诱发风力发电系统或者传动装置发生故障。在对齿轮箱进行无损检查的过程中，为了确保装置性能不会受到损害，应该研发出匹配设备性能及材质的检测方式。风电设备齿轮箱常用无损检测技术主要有：一是基于电磁的二维ACFM检测技术和巴克豪森噪声无损检测技术，这种检测方式不仅可以检测传感器的表面，还可以协助优化检测的方法，使检测流程更科学合理；二是创立了振动分析检测模式，并利用该模式来检测齿轮箱并分析齿轮箱运行是否正常；三是对齿轮箱系统从内部进行解构，使之和油温检测系统相互配合。

2.3 塔筒无损检测技术

风力发电设备风电塔筒大多采用低合金钢为主材，焊接处理时容易在表面产生弧形焊纹。因塔筒焊接多用埋弧焊并同时用涂抹药剂清洗，将造成塔筒表面气孔夹渣。塔筒裂纹的模式具体有热裂纹，收弧裂纹和延迟裂纹，容易在塔筒表面迅速扩展，裂纹对设备承载力产生影响时会导致倒塌事故的发生。通过对当前研究成果的分析可知塔筒无损检测技术包括超声波技术，磁粉技术和射线检测技术等。

2.4 实时监测风电系统运行状态

根据风力发电设备能源转化的特点，发电系统的电网结构十分复杂，将集成技术与在线监测相结合，可以对设备的运行效率进行评估，对系统的稳定运行情况进行监控。无线传感网络，风力发电系统集成传感器技术，嵌入式技术，无线通信技术和分布式处理技术等，系统各节点可以通过计算机对外通信。迄今为止风力发电设备运行状态的检测方法主要有以下几种：第一，应用无损检测技术及监控结构联合提出的红外成像技术。第二，在建立监控技术基础模型的基础上，对该装置在极端苛刻的运行环境中的线路腐蚀和老化状况进行了评价和实时监控。第三，对各种电子系统的变流器和发电机进行了比对，并将成像检测技术运用到其中，在检测时一旦发现装置工作异常就进行动态优化。为了确保风电系统监测技术具有精准性和有效性，要充分考虑到通信信号在特殊环境中的高度传输，使数据通信能够应用在各种环境中。第四，合理地采集压缩和集成信息，尽可能减少采样周期以及数据结构和容错技术的研究。第五，大力研发能够融入风电系统的MAC协议和路由协议以进一步加速数据传输效率并解决死锁或者活锁现象。

2.5 风力发电设备叶片检测与分析

风力发电设备的叶片易受环境的影响，实际运行中受到外力作用极易在弯曲和拉扯的情况下对叶片本身的结构造成破坏。常规情况下风力发电设备叶片寿命在20年左右，但是不能对叶片在实际运行过程中的损伤进行评价，也就是不能对叶片实际使用寿命进行评估。所以，要对叶片进行无损检测，以确保风力发电设备始终都在正常的运转。当前叶片无损检测技术大致分为以下几类：第一类是以热成像和超声波为基础并具备技术融合优势的无损检测技术；第二种是分布式光纤传感器，它依靠传感器和智能材料来打造健康叶片监控系统；三是主动和被动探测，旨在达到电磁热成像的效果。

3 结论

综上所述，风力发电设备无损检测作业中，极易受各方面因素的负面影响，致使设备检测精度得不到保证。与此同时，各种传感器提供数据信息也具有一定的差异性，进一步加大设备检测难度。所以在风力发电设备无损检测时，有必要控制叶片检测系统的重量，增强系统的整体鲁棒性并全面对比各种检测方法，实现了各类传感器信息的集成化，方便了健康状态风力发电系统评价。

参考文献：

[1]武宝平.风力发电设备的无损检测技术[J].大科技,2019(35):220-221.

[2]申金金.风力发电设备无损检测技术分析[J].电子乐园,2019(9):0317.

[3]万有胜.特种设备检测中无损检测技术的应用[J].大众标准化,2022(9):161-163.