基于RCA技術的風電場變槳電機故障原因分析

楊立飛 陳 宇 王從令

（蘇州熱工研究院有限公司 廣東深圳）

一、RCA技術介紹

根本原因分析技術（Root Cause Analysis，RCA），是通過一整套系統(tǒng)化、邏輯化、客觀化、規(guī)范化的分析方法，找出設備故障機理和根本原因，通過制定合理的糾正措施，徹底消除故障，防止同類故障重復發(fā)生。RCA分析流程見圖1。

目前，RCA技術方法在世界航空航天、核電工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、制造行業(yè)等各大領域得到了推廣應用，然而在我國風電行業(yè)尚未推行。風電機組設備面臨運行環(huán)境惡劣、維修管理不足等問題，風電設備故障重發(fā)率較高。在風電行業(yè)開展RCA推廣和應用對解決風電設備故障有重要現(xiàn)實意義，部分風電企業(yè)已經(jīng)開始相關研究與應用嘗試。

圖1 RCA分析過程

二、變槳電機故障背景

內(nèi)蒙某風電場擁有200臺FD70B型風電機組，風機在運行3年后期變槳電機故障頻發(fā)，變槳電機對風機運行至關重要，如果風機無法收槳則可能導致倒塔、飛車等，引發(fā)嚴重安全事故，經(jīng)濟損失巨大。

該風場變槳電機屬于直流串聯(lián)勵磁電機，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)電機外殼附有油污，解體發(fā)現(xiàn)內(nèi)部線圈絕緣及線圈燒損，具有強烈的燒焦氣味。變槳電機故障停運信號主要包括：變槳電機過流報警并跳開、變槳電機過熱熱繼電器跳開、變槳電機轉(zhuǎn)速高報警停機、變槳電機轉(zhuǎn)速不同步報警停機等。為盡快消除故障恢復運行，維修人員一般進行變槳電機更換，雖更換可以暫時解決問題，因未明確電機故障根源，所以共模故障頻發(fā)，加大了維修費用和發(fā)電損失。因此應用RCA技術對變槳電機故障進行深入的原因分析，對風電場有風機可用率提升有直接作用。

三、故障原因分析過程

①確立事件范圍、邊界，調(diào)查與收集事件相關證據(jù)和材料；②現(xiàn)場設備勘察、設備結(jié)構(gòu)及運行狀況分析，運維人員訪談；③解體故障變槳電機，分析可能故障點及其故障原因；④結(jié)合設備運行、維護、故障維修調(diào)研情況，對全部可能故障模式進行分析、論證和邏輯判斷；⑤對故障原因進行綜合分析，確定其根本原因及促成因素；⑥針對故障原因及影響因素，提出可行糾正措施。

1.數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場勘查

變槳電機運行、維修、改造記錄及現(xiàn)場故障設備是RCA分析的重要信息輸入，分析過程中收集和整理了風電場自運行以來的3年風機故障記錄、變槳電機運行維護策略、風機改造技術文件，并對維修人員進行了訪談和可能原因分析。

分析選取3臺故障變槳電機（品牌為LUST）內(nèi)外部勘查，電機外殼肋板螺栓孔布滿油污，線圈有從內(nèi)部向外部燃燒跡象，電流進線銅線熔斷，線圈絕緣被燒損（圖2），轉(zhuǎn)子與定子間有劃痕，轉(zhuǎn)子碳刷接觸處有較深的刷痕，積累了大量的油，電機內(nèi)部燃燒痕跡較為明顯；部分電機碳刷燃燒殆盡或磨損嚴重，部分碳刷銅基座燒蝕嚴重甚至熔化（圖3）。

圖2 外部油污內(nèi)部線圈燒損

圖3 碳刷基座燒損碳刷損壞

2.故障模式列寫

結(jié)合對變槳電機歷史故障信息收集、人員訪談、現(xiàn)場變槳電機解體分析以及經(jīng)驗反饋等，最終確定變槳電機的可能故障模式如下。

（1）電機接線C插頭滲入齒輪箱油，導致變槳電機短路；電機接線C插頭松動，導致變槳電機停運；

（2）電機接線C插頭斷裂，導致變槳電機停運；

（3）變槳齒輪箱油漏入電機內(nèi)部，導致變槳電機短路；

（4）電機內(nèi)部碳刷碳粉積存，導致變槳電機短路；

（5）電機碳刷磨損過度或部分耗盡，導致變槳電機缺相運行；

（6）電機電磁剎車抱閘故障，導致電機過流故障；

（7）變槳齒輪箱內(nèi)部卡澀，導致電機過流故障；

（8）編碼器角度漂移，導致電機過流故障；

（9）變槳電機風扇故障，導致電機過熱停運。

3.故障模式分析

針對3臺LUST故障變槳電機，對可能的故障模式逐個排查，包括支持證據(jù)與反對證據(jù)，同時對其發(fā)生的可能性進行了初步分析，見表1。

表1 變槳電機故障模式分析

從以上分析結(jié)果可知，最可能導致變槳電機故障的故障模式為：變槳齒輪箱油漏入電機內(nèi)部；電機內(nèi)部碳刷碳粉積存；電機碳刷磨損過度。

4.根本原因分析

（1）故障模式為變槳齒輪箱潤滑油漏入電機內(nèi)部。①變槳齒輪箱油附著在定子、轉(zhuǎn)子線圈表面，導致其散熱能力下降，長期運行絕緣能力下降。②油的進入在變槳電機換向器表面、碳刷表面形成油膜，電機運行過程中增大了電機碳刷與換向器之間的接觸電阻，電機快速變槳過程中碳刷與換向器間打火加劇，長期燒蝕碳刷相對應的定子、轉(zhuǎn)子線圈、碳刷銅架，以及包覆碳刷防塵的橡膠密封殼體，導致定子及轉(zhuǎn)子絕緣下降（甚至短路），密封殼體嚴重燒蝕，碳刷銅架嚴重燒蝕。③油進入變槳電機內(nèi)部后，在輪轂轉(zhuǎn)動過程中，當電機位置朝上、齒輪箱朝下時，油大量積存于碳刷與換向器部位，導致在電機運行時碳刷在打火過程中，通過油導通正負極碳刷（碳粉的摻入使油的導電性能加強），導致瞬間碳刷銅架熔毀，在電機內(nèi)部形成強烈的火焰，將電機內(nèi)的油與碳粉引燃。

（2）故障模式為變槳電機內(nèi)部積累碳刷磨損及碳刷過度磨損。風電場變槳電機在變槳過程中碳刷長期磨損，長期磨損勢必消耗殆盡，且處于密閉空間內(nèi)，碳粉無法排出；檢修人員并未對電機內(nèi)部碳粉進行清理吹掃（吹掃前僅對電機拆卸操作難度就相當大），預防性檢修也并沒有對碳刷更換及碳粉清理說明，因此，碳粉長期積存可造成電機故障原因有：①碳刷密閉空間碳粉的長期累積，易于在電機的正負極碳刷間，以及碳刷與絕緣破損的線圈間發(fā)生短路（油與碳粉混合后則更容易形成短路），造成碳刷或線圈瞬間燒毀。②碳刷在不斷磨損過程中，如果碳刷磨損過度或者長期由于電刷接觸不良打火導致碳刷燒結(jié)，則導致碳刷與換向器硬摩擦，電流分配不均，碳刷不斷被加熱和燒結(jié)，形成惡性循環(huán)，最終導致電機絕緣損傷短路停機。③風機在運行時不可避免的發(fā)生振動，造成變槳電機碳刷與換向器接觸間隙變化，電流分配不均，電流大的碳刷發(fā)熱量增大，導致碳刷磨損特性有差異，部分碳刷因受熱膨脹卡死無法在銅刷架內(nèi)運動，導致接觸不良，因此即使碳刷相同，其磨損程度也是不同的，需要定期查看碳刷厚度并進行成組更換。

（3）功率控制改造影響分析。除以上故障模式外，現(xiàn)場風機改造記錄表明，2011年應內(nèi)蒙電網(wǎng)對風場功率調(diào)節(jié)控制改造要求，變槳風機功率調(diào)節(jié)方式改變，以便于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，同時避免因低溫環(huán)境停機而無法啟動的隱患，改造后利用變槳控制風機功率替代了以停運風機響應電網(wǎng)功率調(diào)度的要求。經(jīng)分析，該項改造對碳刷磨損有重要影響，圖4為1.5 MW的FD70B型風機的風速——功率曲線。

圖4 FD70B型風機功率曲線

（4）風機原功率控制方式。風機風速在 0～3.5 m/s時，風速小于啟動風速，風機處于停運狀態(tài)；風機風速在 3.5～12.5 m/s時，風機通過變槳電機將葉片從92°旋轉(zhuǎn)至 0°，使風機發(fā)電量最大化；如果電網(wǎng)要求降低發(fā)電功率，則需要停運部分風機實現(xiàn)功率控制。風機風速在12.5～25 m/s時，風電場可以實現(xiàn)滿發(fā)功率，但因電網(wǎng)負荷承載能力有限，因此需要以停運部分風機的方式實現(xiàn)功率控制。風機風速＞25 m/s時，風速超出風機設計要求風速，風機全部停運。

功率控制方式改造與原功率控制方式對變槳電機運轉(zhuǎn)影響主要體現(xiàn)于以下分析中：風機風速在3.5～12.5 m/s時，當電網(wǎng)要求風電場降負荷運行時，通過變槳電機控制槳葉角度的方式，降低每個風機的功率，滿足調(diào)度要求，因此每臺風機的變槳電機都需要動作，增大了電機的動作頻度，加速了電機碳刷的磨損。風機風速為12.5～25 m/s時，風電場可以實現(xiàn)滿發(fā)功率，但因電網(wǎng)負荷承載能力有限，仍然以降低每個風機的功率，以滿足調(diào)度要求，因此每臺風機的變槳電機動作頻度增大，加速了電機碳刷的磨損。綜上所述，變槳電機故障的根本原因及促成因素如下。

根本原因1，變槳電機運行過程中漏入變槳齒輪箱潤滑油，潤滑油附著于碳刷與換向器表面，造成碳刷與換向器接觸不良而頻繁打火，長期運行導致電機線圈絕緣的損傷以及碳刷的燒結(jié)；正負極碳刷之間，碳刷與絕緣損壞的繞組之間通過油與碳粉形成短路，造成碳刷或線圈的燒損，最終導致電機停運。

根本原因2，碳刷屬于消耗部件，長期運行將會消耗殆盡（故障電機的部分碳刷已磨損耗盡，部分已磨損出裸露的銅接線），最終導致電機碳刷與換向器接觸失效導致電機故障；此外，大量碳粉積存于電機端部的密閉空間而未定期清理，易于導致電機短路燒損線圈或碳刷，最終導致電機停運。

促成因素，變槳電機的功率控制改造加劇了電機碳刷的磨損和消耗，增大了碳粉的積累，易于發(fā)生短路。

四、糾正行動制定

（1）近期糾正行動。電機碳刷磨損情況普查和更換：對使用3年左右的電機進行高空更換和地面抽樣檢查其磨損情況，進行針對性的維修更換，避免整個電機的燒毀，以及其他安全事故的發(fā)生。

（2）遠期維護策略。定期更換變槳電機碳刷和定期清理變槳電機內(nèi)部碳粉（可以通過輪換備件方式管理，風機高空維修操作時可直接更換變槳電機，在地面對變槳電機進行碳刷更換或送廠家維修，現(xiàn)場分析時針對一臺故障電機進行了碳刷現(xiàn)場更換，運行狀況良好）；定期更換變槳齒輪箱的密封圈（密封圈本身存在老化，且與變槳齒輪箱油接觸以及內(nèi)蒙地區(qū)冬夏溫差大的因素加速其老化，因此建議定期更換密封圈，以防止齒輪箱油進入變槳電機內(nèi)部造成變槳電機故障）；

定期檢查變槳齒輪箱滲漏油情況，并對滲漏潤滑油嚴重的齒輪箱進行密封條更換，滲漏輕微的進行清理處理，避免流入變槳電機；更改設備選型：選用其他碳刷易于更換，且可靠性等同或相對較高的電機或者改用無刷變槳電機，消除該故障模式的發(fā)生。

五、預期收益評估

該風電場目前有200臺風機，每臺風機有3臺變槳電機，變槳電機總數(shù)600臺，變槳電機故障產(chǎn)生的經(jīng)濟損失包括：直接發(fā)電損失、備件采購費用、人力資源消耗等，其綜合經(jīng)濟損失評估模型見圖5。

圖5 風機故障綜合經(jīng)濟損失評估模型

據(jù)維修反饋，每次電機更換按照2位運維人員工作4 h，風電上網(wǎng)電價0.61元/kW·h，人力成本25元/h計算，600臺變槳電機故障直接導致的發(fā)電損失、備件采購（每臺變槳電機按照3萬元估計）和人力資源消耗分別進行計算，計算公式見表2。

表2 風機變槳電機故障經(jīng)濟損失評估

從表2可知，如果針對變槳電機故障原因不進行深入分析，則由變槳電機共模故障引起的直接經(jīng)濟損失為2031.6萬元。因此，通過RCA故障原因分析，不僅能夠避免變槳電機故障的重發(fā)，降低設備維修更換費用，而且對于提升風電場風機可用率，減少發(fā)電損失有重要作用。

六、結(jié)束語

通過運用目前國際先進的RCA技術方法，對風電場變槳電機故障進行了根本原因分析和促成因素識別，不僅制定了針對性的糾正措施而且對提升風機運行安全水平，降低風電場經(jīng)濟損失有直接作用。

目前RCA技術在風電行業(yè)的推廣仍在探索和嘗試中，建議風電場建立RCA根本原因分析體系，運用RCA技術對風機故障進行分析，消除或緩解設備故障，從本質(zhì)上提高風機系統(tǒng)設備的可靠性水平，提升風電機組運行的安全性和經(jīng)濟性。