Aufgabenstellung. Zur Zeit wird die Tendenz des Verbrauchsanstiegs von elektrischer Energie in der Welt beobachtet, sodass fossile Brennstoffe wie zum Beispiel Steinkohle, Gas, Erdöl erschöpft werden. Im Kombination mit der ungleich mäßigen Verteilung der Weltressourcen bildet wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen sowie die Abhängigkeit von traditionellen Energieressourcen Voraussetzung, dass die erneubare Energiequellen (EE) aktiv in existierendes Energiesystem eingeführt werden. Noch war es im Bericht 2008 von Global Wind Energy Council (GWEC) angemerkt, dass die Windenergie in der Branche führend ist [1]. In der Europäischen Union (EU) entsprechend der statistischen Daten von European Wind Energy Association (EWEA), die Anfang Februar 2009 veröffentlicht waren, gehören 36 % (8484 MW) der ganzen Energiebereitstellung der Windenergie, die alle andere Energieversorgungsquellen übergeht[1]. Die positive Dynamik dieser Branche kann auch in den nachfolgenden Jahre beobachtet werden. Entsprechend dem Windenergieberiecht Deutschland für das Jahr 2011 sind 20% (612 TWh) der bundesweiten Brutto-Stromerzeugung aus EE-quellen bekommen, dabei sind 38% von Windenergieanlage (WEA) [2] hergestellt. Im ähnlichen Bericht 2014 [3] ist die Angabe von 42% gegeben, und bei der vollen Saisonbelastung der photoelektrischen Kraftwerken 35 % (dabei 34% - onshore Windenergieanlagen, 1% - offshore).
Wie es über die ständig wachsende installierbare Leistung im Energiesektor der EU, der USA, China und Asien gesprochen wird, ist es erwähnenswert, dass obwohl die WEA über eine Reihe von Vorteilen verfügt, ist sie ziemlich teuer. Jährlich wird es in verschiedenen Ecken der Welt fixiert, wie die kleinen Störungen, als auch die großen Notfälle zur kurzzeitigen Betriebsunterbrechung von WEA und sogar zu ihrer vollen Zerstörung führen. Die Hauptgründe des Ausfalls vom Wiendgenerator ist nicht ideales System des Relaisschutzes und der Automatisierungstechnik.
Als Relaisschutz und Automatisierungstechnik von WEA wird die standardmäßige Logik in der Regel verwendet, die von Betriebsordnung der Elektroanlagen oder IEC und ANSI-Standards empfohlen wird. Oft sind solche Systeme von Relaisschutz und der Automatisierungstechnik nicht in der Lage, richtig und schnell und Notfall und anormale Betriebsbedingungen, wie beispielsweise asymmetrische Betriebsarten, Windungsschluß in einer Phase der Ständerwicklung und andere zu identifizieren. Deshalb ist die Aufgabe der weiteren Verbesserung des Relaisschutzes und der Automatisierungstechnik der gegenwärtigen Windenergieanlage aktuell.
Ergebnisse der Untersuchung. Moderne Windkraftanlage ist ein kompliziertes elektromechanisches System, das die Energie der Windströmung in elektrische Energie umwandeln kann. Aus elektrischer Sicht besteht die Windenergieanlage aus dem Block: der elektrische Generator - Aufspannblocktransformator - Kabelleitung - geschlossene Schalteinrichtung der höchsten Spannung. Als Generator werden die häufigsten Asynchrondoppelfeldmaschine und Synchrongeneratoren wie bei dem klassischen Erregersystem und dem System der Anregung mit Permanentmagneten verwendet. Die Hauptschaltbilder sind auf der Abb. 1 dargestellt.
Das beeindruckende Wachstum in der Nutzung der Windenergie hat eine aktive Forschung und Entwicklung in verschiedenen Bereichen der Technik erzeugt. Darüber hinaus zeigt das steigende Eindringen von Windenergie in konventionellen Kraftanlagen die Wichtigkeit solcher Themen wie Zuverlässigkeit, Sicherheit, Stabilität, Leistung, Qualität usw. Unter diesen Problemen ist die Ausstattung der Windkraftanlagen (WKA) mit entsprechendem Schutz sehr bedeutend. Die Verbesserung der Sicherheitfunktion ist notwendig, um die Möglichkeit des lokalen Ausfalls als Folge von Fehlern zu vermeiden und die Auswirkungen dieser anormalen Bedingungen auf andere Teile des Netzes zu minimieren. Es erhöht die Zuverlässigkeit der einteilen Anlage, und die allgemeine Produktivität des Netzes steigt entsprechend. Darüber hinaus spielt die Wirtschaftsperspektive die Hauptrolle.
Es gibt verschiedene Methoden zur Analyse der Ausfallsursachen der Windturbine [4-5]. Man beschreibt die Möglichkeiten online die Fehler auszufinden und innerhalb eines längeren Zeitraums ein Paar Jahre zu analysieren um Systematische Ausfälle zu identifizieren und beseitigen. So sind in Schweden [4] die wichtigsten Ausfallsarten in WKA im Zeitraum von 2000 bis 2004 analysiert. Die meisten Ausfälle sind mit einem elektrischen System verbunden: Generator 5,5% und 17,5% der übrigen Komponenten des Systems. Die wesentlichen Ursachen der Ausfalldauer von Windparks sind die Blätter und die damit verbundene Pitch-Regelung – 13,4 %, sowie die Informationsgeber und die übrigen Sensoren – 14,1 %.
Der Vergleich kann nach den Herstellerfirmen, der installierbare Leistung und anderen Skalen durchgeführt werden [4]. Es muss berücksichtigt werden, dass das Prozentverhältnis des abgesondert genommenen Ausfalls zu der Zeit der Stilllegung von WEA nicht direkt proportional ist, die ausreichend häufig Ausfall der Sensoren (14,1%) führt zu 5,4% Ausfalldauer der Anlage, während relativ seltene Betriebstörung der Getriebe (9,8%) die wichtigste Ursache von 19,4% der Stilllegung ist.
Entsprechend Statistiken [1] jährlich in Deutschland werden 2,38 Fehler in der Turbine registriert, als Ergebnis bekommen wir 62,6 Fehlstunden pro Jahr. Außerdem werden diese elektrischen Störungen des Systems wie die vorherrschenden Ursachen des Ausfalls bewertet. Mit der Erhöhung des Anteils der Windenergie in den Stromnetzen sind diese Ausfalldauer nicht akzeptabel wegen ihrer Auswirkungen auf die allgemeine Stabilität des Systems.
Die vergleichende Forschung [5] wurde unter Ausnutzung der traditionellen und angebotenen Methodik der Analyse der Arten und der Folgen der Fehler von FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) auf zwei onshore und offshore WEA des selben Typs durchgeführt. Beide Windturbinen hatten die gleiche Kapazität, die Struktur und das System für Monitorings des Zustandes nach der Aufspürung der Ausfälle. Der einzige Unterschied zwischen den Turbinen sind ihre geografischen Besonderheiten (solche wie Ort, Wetterbedingungen, Windgeschwindigkeit und Temperatur).
Die Daten über die Störungen [5] waren aus der zehnminutenlangen Datenbank der Dispatcherkontrolle und der Datenerfassung (SCADA), der automatisierten Zeitschriften der Ausfälle, der Berichte O&M gesammelt und sind durch Daten aus einigen Quellen ergänzt. Abb. 2 zeigt die Ausfallrate von sechzehn onshore WKA. Es wurde angenommen, dass diese Kennziffern des Ausfalls konstant sind. In der Untersuchung sind die mittlere Ausfallrate von WEA (d.h. die erwartete Anzahl von Ausfällen) gleich 1,22 und 1,38 pro Jahr für onshore und offshore entsprechend. Es war dabei bewiesen, dass Typen der Beschädigungen für diese zwei Arten von WEA unterschieden werden. Für den ersten Typ: der Turm, der Getriebe, die Rotorblättern, die Rotornabe, der Transformator und Generator; für den zweiten Typ: der Getriebe, die Rotorblätter, der Generator, der Turm und der Transformator.
Für einen zuverlässigen Betrieb der Windkraftanlage gibt es sogenannte Wind Turbine Inspection (WTI) in Ländern wie Deutschland. Die periodischen Prüfungen der Windturbine und der Hauptkomponenten werden vom unabhängigen technischen Experten erfüllt, der den Zugang auf die entsprechende technische Dokumentation hat. Aufgrund dieser Dokumente wird die spezielle Kontrollliste mit den Kriterien der Einschätzung angelegt, um die Inspektion zu erfüllen. Die Einschätzung und die Ergebnisse sollen auf der Führung Certification of Wind Turbines of Germanischer Lloyd in bezug auf offshore WEA und die Standards IEC in ihren letzten Ausgaben gegründet werden [6]. Der Plan der Inspektion nimmt alle wichtigsten Komponenten, die mit der Stromerzeugung verbunden sind, dem System des Schutzes und den Sicherheitsmaßnahmen des Personals auf. Der Bericht von der Prüfung wird gebildet und vom technischen Experten abonniert. Dieser Bericht soll die nächsten Informationen enthalten:
- der Betrieb-Hersteller, der Typ und die Seriennummer der Windturbine und die Türme;
- der Standort des Eigentümers und des Operators der Windturbine;
- die Arbeitszeit und die volle Leistung der Energie;
- das Datum und die Wetterbedingungen am Tag der Prüfung.
Die kontrolle kann während der Dienstzeit der einzelnen WEA und des gansen Windparks durchführt werden. Es ist empfehlenswert, die planmässige volle Kontrolle jede 2-4 Jahre zu erfüllen.
Die besondere Aufmerksamkeit lenkt man dem elektrischen System und dem Generator, der ein hohes Risiko der Entzündung hat. Die Kontrolle des Generators besteht aus den folgenden Untersuchungen:
- die Prüfung der Kupplung der Schnellwelle, das Zentrieren der Welle und die Berechnung der Kompensationen für die Angleichung der Kupplung der Welle,
- die Prüfung auf den anormalen Lärm in der Lager;
- die Prüfung des Abkühlungssystem des Generators;
- der Isolationtest des Generators (Stator und Rotor).
Im Rahmen unserer Untersuchung sei es betont [6], sogar wenn die Neukonstruktionen und die Prototypen, die von den Herstellerfirmen produziert werden, von den zertifizierenden Organen behauptet sind, gewährleisten die sicherer und zuverlässige WEA, sind ihre Entwicklung und die entsprechende Verbesserung mit den Turbinen mit geringerer Kapazität erfahrungsmäßig, wie zur Zeit festgestellt ist. Deshalb hat die Technologie eine Reihe von Einschränkungen. Zu diesem Ziel war es festgestellt, dass das Bedürfnis nach dem ununterbrochenen Monitoring der Hauptkomponenten der Windturbinen, solcher wie das Getriebe, den Generator und die Blättern existiert. Es wird angenommen, dass diese Komponenten erheblichen Aufwand in der Wartung und Reparatur oder Modifikation erfordern. Also, die periodische Prüfung ist dieser Komponenten von irgendwelcher unabhängigen Dritten für die Versorgung des sicheren und effizienten Betriebs von Windenergieanlagen nötig.
Die WKA ist die wichtigste Komponente der Anlage mit den hohen Kennziffern der Ausfälle. Der Hauptgrund besteht darin, dass der Generator mit der Stromquelle arbeitet, die hohe mechanische Schwingungsleistung hat. In Bezug auf die Generatoren sind zwei Hauptkategorien der Fehler bekannt:
1. Der Defekt des Wickelns, der infolge der fehlerhaften Isolierungssysteme oder der schlechten Konstruktion der Wickeln entstehen kann.
2. Die mechanischen Defekte, die mit dem Verschleiß der Lagerung verbunden sind, auf Grund des schlechten Schmierens.
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© Tkachenko S.N. Analyse der Ursachen des Ausfalls von Windenergieanlagen / S.N. Tkachenko, A.V. Kovalenko, L.A.Kukushkina // Инновационные перспективы Донбасса: материалы III Международной научно-практической конференции. Секция «Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем», 24 мая 2017 г., г. Донецк. Т. 2. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – C. 132-139.
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