系列風(fēng)電機(jī)組事故分析及防范措施（二）
——因順槳控制故障引發(fā)的飛車事故

文 | 高原生，王明軍

系列風(fēng)電機(jī)組事故分析及防范措施（二）
——因順槳控制故障引發(fā)的飛車事故

文 | 高原生，王明軍

國內(nèi)外都發(fā)生過風(fēng)電機(jī)組倒塌、燒毀等重大事故。事故發(fā)生后，若能對(duì)這些事故進(jìn)行認(rèn)真分析、總結(jié)，找出事發(fā)時(shí)的真實(shí)原因，并采取有效的預(yù)防措施，就能盡量避免類似事故的再次發(fā)生。就機(jī)組飛車事故而言，其預(yù)防措施應(yīng)建立在準(zhǔn)確分析、抓住重點(diǎn)、講求科學(xué)的基礎(chǔ)上，并綜合考慮各種因素使度電成本最低。下面就具體事例進(jìn)行闡述和分析。

三槳葉同時(shí)不能順槳引發(fā)的飛車事故

下面事例都是因三支葉片同時(shí)不能順槳而引發(fā)的機(jī)組失控、飛車事故。事故機(jī)組均使用的是電池為后備電源的直流變槳系統(tǒng)，采用的同一廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)主控。從多年眾多同類型機(jī)組的維修來看，事故機(jī)組的主控、變槳、變頻等主要部件的質(zhì)量較優(yōu)，未發(fā)現(xiàn)輪轂后備電池及其他關(guān)鍵部件存在設(shè)計(jì)或質(zhì)量問題。

一、某風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的燒毀、倒塌事故

某風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)，事故機(jī)組報(bào)發(fā)電機(jī)超速，在短暫的停機(jī)后，機(jī)組又再次不明原因迅速啟機(jī)。事故機(jī)組飛車后，機(jī)艙全部燒毀，主控?cái)?shù)據(jù)無法獲取。從現(xiàn)場(chǎng)人員及現(xiàn)場(chǎng)勘察了解到，事發(fā)時(shí)風(fēng)速約為10m/s，事發(fā)后三支葉片都在零度位置，均未順槳。

因能得到的有用信息較少，事故分析具有一定的困難。然而，在事發(fā)過程中卻留下了諸如“再次迅速啟機(jī)”等特殊現(xiàn)象。通過剖析這些現(xiàn)象，并給出合理解釋，或許能找到事故發(fā)生的確切原因。

二、某風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組飛車事故

某風(fēng)電場(chǎng)，在中控室發(fā)現(xiàn)事故機(jī)組通訊中斷，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，葉片已回到92°限位開關(guān)位置。上機(jī)艙，如圖1、圖2所示，主軸剎車片已完全磨損，剎車盤嚴(yán)重磨損，兩邊均有較深的磨痕，剎車器保護(hù)罩已部分燒熔，且嚴(yán)重變形；發(fā)電機(jī)側(cè)的柔性連接片已經(jīng)全部脫落，剎車盤與發(fā)電機(jī)之間的聯(lián)軸器掉落在機(jī)艙；主軸剎車器上方的機(jī)艙罩殼隔熱層燒灼嚴(yán)重；通訊滑環(huán)完全斷裂，并脫落在機(jī)艙內(nèi)；發(fā)電機(jī)已從彈性支撐上嚴(yán)重移位，彈性支撐的固定螺栓絕大部分已經(jīng)斷裂，發(fā)電機(jī)

轉(zhuǎn)子竄動(dòng)嚴(yán)重。塔基變頻器處給機(jī)艙提供交流690V的繼電器跳閘。

從主控?cái)?shù)據(jù)可知：事發(fā)時(shí)，機(jī)組的發(fā)電功率為1472kW，風(fēng)速為15.2m/s時(shí)，45min 43s，機(jī)組報(bào)“變槳通訊故障”，剎車程序BP180脫網(wǎng)；45min 46s，三支槳葉同時(shí)報(bào)“變槳速度慢”，剎車程序BP190，主軸剎車器制動(dòng)。同時(shí)，還報(bào)出了“極限陣風(fēng)”“變頻器超速”；45min 53s報(bào) “發(fā)電機(jī)軟件超速”“齒輪箱軟件超速”；45min 56s報(bào)“轉(zhuǎn)子軟件超速”；46min 02s，報(bào)由硬件控制的“發(fā)電機(jī)剎車200超速”、軟件參數(shù)控制的“齒輪箱剎車200超速”、安全鏈斷開；46min 04s，報(bào)由軟件參數(shù)控制的“轉(zhuǎn)子剎車200超速”和“葉片不能回到限位開關(guān)”（Mita狀態(tài)碼1159）故障；46min 16s，報(bào)“剎車200停機(jī)執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)”； 46min 39s，機(jī)組報(bào)“電網(wǎng)掉電故障”。事發(fā)時(shí)，機(jī)組高速軸的最高轉(zhuǎn)速為2971rpm。

由于機(jī)組在事發(fā)時(shí)沒有燒毀、倒塌，給事故分析留下了不少有價(jià)值的信息和證據(jù)：在機(jī)艙控制柜檢查發(fā)現(xiàn)，旁路限位開關(guān)回路被改線，強(qiáng)行提供24V直流（注：緊急順槳控制線路被修改了），飛車過程中又報(bào)出了“葉片不能回到限位開關(guān)（1159）”故障，這兩者之間相互應(yīng)征，證明在事發(fā)前就埋下了安全隱患；事發(fā)時(shí)沒有報(bào)“變槳自主運(yùn)行”；因通訊滑環(huán)從基座處完全斷裂，即：輪轂的交流400V供電、機(jī)艙與輪轂的所有通信與控制接線全部斷裂。

三、某風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組倒塌事故

據(jù)目擊者稱：“事發(fā)時(shí)，事故機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速比相鄰機(jī)組快很多，且有異響，維持了大約十幾分鐘，然后，突然從第二節(jié)塔筒中下部折斷倒塌。在機(jī)組倒塌過程中，伴隨有火光及冒煙，馬上又滅了”。從鄰近機(jī)組了解到，事發(fā)時(shí)的風(fēng)速不大，約為8 m/s－9m/s。

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，三支葉片均在零度位置，沒有順槳。主軸剎車上方機(jī)艙內(nèi)壁的保溫層有燒灼痕跡，主控模塊嚴(yán)重?fù)p壞，內(nèi)部電池脫落、數(shù)據(jù)丟失；從變頻器上的數(shù)據(jù)可知，事發(fā)時(shí)機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速為2406rpm。

原因分析

首先，在我國的風(fēng)電發(fā)展初期，不少廠家的生產(chǎn)技術(shù)都是從國外引進(jìn)，在沒有來得及完全轉(zhuǎn)化和吸收的情況下，就投入了大規(guī)模生產(chǎn)。不少的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)仍未掌握，多個(gè)事故已經(jīng)發(fā)生。其次，不少風(fēng)電企業(yè)是從其他行業(yè)迅速轉(zhuǎn)向，其管理理念和體制卻未能及時(shí)轉(zhuǎn)變。再者，我國風(fēng)電企業(yè)的研發(fā)、技術(shù)人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平有待提高。因此，事發(fā)之前，機(jī)組的安全隱患未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除；事發(fā)之后，未能找出真實(shí)原因造成同類事故的多次發(fā)生。

一、采用電池作備用電源的直流變槳系統(tǒng)的安全性高

直流變槳系統(tǒng)，在緊急（電池）順槳時(shí)，無需把備用電源的能量經(jīng)過輪轂驅(qū)動(dòng)器逆變成交流，只需通過繼電器吸合直接將備用電源切換到直流電機(jī)，沒有逆變環(huán)節(jié)，順槳安全性增加。這種緊急順槳方式是交流變槳系統(tǒng)所不具備的。

在該直流變槳系統(tǒng)的輪轂驅(qū)動(dòng)器上，接有直流和交流400V兩種供電電源。當(dāng)交流400V供電正常時(shí)，由交流供電。在出現(xiàn)瞬間電網(wǎng)故障，機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越需進(jìn)行正常調(diào)槳；或外界斷電，需通過輪轂驅(qū)動(dòng)器上的直流供電進(jìn)行停機(jī)順槳時(shí)，均利用輪轂驅(qū)動(dòng)器上的備用直流電源。

當(dāng)機(jī)組因故不能切換到正常的備用直流電源順槳，在緊急順槳時(shí)，如輪轂控制器與主控之間的通訊正常，可通過主控再發(fā)指令使葉片回到90°；如主控與輪轂控制器的通訊再次出現(xiàn)故障，機(jī)組轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值，觸發(fā)硬件超速模塊動(dòng)作，超速信號(hào)傳給輪轂控制器，由輪轂控制器控制使三支葉片按照規(guī)定的順槳速度回90°。

有的直流變槳系統(tǒng)（第1節(jié)“三槳葉同時(shí)不能順槳引發(fā)的飛車事故”的事例二中機(jī)組采用的變槳系統(tǒng)），還有輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳。即：機(jī)組因故不能切換到正常緊急順槳回路時(shí)，當(dāng)輪轂驅(qū)動(dòng)器上的400V交流供電的電壓過低或斷開時(shí)，在輪轂驅(qū)動(dòng)器內(nèi)直接把電池與輪轂電機(jī)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳，葉片回到92°限位開關(guān)位置。這也是

交流變槳系統(tǒng)所不具備的。

以上分析可知，直流變槳系統(tǒng)出現(xiàn)三支槳葉同時(shí)不能順槳的概率極低。

二、飛車、倒塌及燒毀實(shí)例分析

第1節(jié)“三槳葉同時(shí)不能順槳引發(fā)的飛車事故”中,事例二不僅事發(fā)時(shí)的主控?cái)?shù)據(jù)完善，而且還找到了事發(fā)的直接證據(jù)；事例一和事例三因主控?cái)?shù)據(jù)丟失，機(jī)組燒毀、倒塌，只能通過同類機(jī)組的長(zhǎng)期維修經(jīng)驗(yàn)及與觀察事發(fā)時(shí)的特殊現(xiàn)象，判斷事故發(fā)生原因。事故時(shí)與事例二存在相同的情況——三支葉片同時(shí)不能順槳。

綜合考慮機(jī)組運(yùn)行原理和各種現(xiàn)象，三起事故的共同特點(diǎn)如下：首先，事故機(jī)組的電池順槳控制回路，或旁路限位開關(guān)回路存在被強(qiáng)行供電的安全隱患，在機(jī)組執(zhí)行高級(jí)別剎車程序時(shí)，不能切換到正常的電池順槳回路。其次，事發(fā)時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)“變槳通訊故障”，主控與輪轂變槳因此失去聯(lián)系，不能通過主控指令使葉片回到90°位置。再次，機(jī)組超速時(shí)，均未能執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”程序，又再次失去順槳的機(jī)會(huì)。因此，機(jī)組在風(fēng)速較大時(shí)順利地闖過了所有保護(hù)設(shè)置，造成三支槳葉同時(shí)不能順槳，最終造成事故發(fā)生。

第1節(jié)“三槳葉同時(shí)不能順槳引發(fā)的飛車事故”中，三個(gè)事例發(fā)生的簡(jiǎn)略過程分別如下：

事例一中的機(jī)組報(bào)“變槳通訊故障”后，剎車程序BP180，由機(jī)艙、主控控制的交直流供電順槳方式均不能執(zhí)行，其后，機(jī)組再報(bào)“變槳速度太慢”，剎車程序BP190，主軸剎車器參與制動(dòng)，并在30s之后剎車器自動(dòng)松開。該機(jī)組使用的是被動(dòng)式剎車器，制動(dòng)力為兩倍滿負(fù)荷扭矩，因此，在機(jī)組冒煙的同時(shí)完全停下來了，此時(shí)三支槳葉都在0°位置，當(dāng)主軸剎車器再次松開，機(jī)組迅速啟機(jī)。由于當(dāng)時(shí)的風(fēng)速較大，帶著巨大的加速度的葉輪轉(zhuǎn)速迅速上升，達(dá)到2400rpm硬件超速設(shè)定值，主軸剎車器再次制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量使機(jī)組燃燒，產(chǎn)生的巨大翻轉(zhuǎn)扭矩使機(jī)組倒塌。

事例二中，機(jī)組在45min 43s，報(bào)“變槳通訊故障”，剎車程序BP180脫網(wǎng)，不能順槳；45min 46s，三支槳葉同時(shí)報(bào)“變槳速度慢”，剎車程序BP190，主軸剎車器制動(dòng)。當(dāng)時(shí)風(fēng)速較大（15.2m/s），加之該機(jī)組使用的是主動(dòng)式剎車器，其制動(dòng)力僅為事例二倍滿負(fù)荷扭矩，主軸剎車器已不能使機(jī)組停下來。制動(dòng)力矩使剎車器、剎車盤、剎車器罩殼大面積脫落并砸在通訊滑環(huán)上，在主軸剎車器制動(dòng)期間機(jī)組轉(zhuǎn)速還在不斷上升，18s后，即：46min 02s，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至硬件超速設(shè)定值，BP200，最高轉(zhuǎn)速超過2900rpm，機(jī)組振動(dòng)加劇，最終導(dǎo)致通訊滑環(huán)完全斷裂，電池順槳到92°限位開關(guān)位置。由于飛車的時(shí)間及主軸剎車器制動(dòng)的時(shí)間不長(zhǎng)，未出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高溫，避免了機(jī)組燃燒。在BP190主軸剎車器制動(dòng)18s（小于30s）后就升至BP200，沒有出現(xiàn)主軸剎車器松開后又再次制動(dòng)產(chǎn)生的巨大沖擊扭矩，因此，機(jī)組并未倒塌。

在事發(fā)前，存在旁路限位開關(guān)回路被強(qiáng)行提供24V直流的安全隱患；事發(fā)時(shí)出現(xiàn)“變槳通訊故障”以及未執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”程序；事發(fā)過程中出現(xiàn)“通訊滑環(huán)完全斷裂” ，因輪轂400V交流供電斷開，執(zhí)行輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳，或因旁路限位開關(guān)回路的強(qiáng)行供電斷開，執(zhí)行正常的直流（緊急）順槳，葉片順槳到92°限位開關(guān)位置。具體按哪種情況執(zhí)行，則與線路斷開的時(shí)間先后有關(guān)，如瞬間同時(shí)斷裂，則應(yīng)按正常的電池順槳方式執(zhí)行。由此可見，對(duì)于以上飛車事發(fā)時(shí)的應(yīng)急處理方式有：斷UPs使機(jī)組切換到正常的直流順槳；斷箱變啟動(dòng)輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳。

當(dāng)出現(xiàn)“變槳通訊故障” 或未執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”停機(jī)程序，主控均不會(huì)報(bào)“變槳自主運(yùn)行”故障。而事故機(jī)組因未執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”，從而造成了飛車事故的發(fā)生。

事例三的機(jī)組報(bào)“變槳通訊故障”停機(jī)脫網(wǎng)，但不能順槳，再報(bào)“變槳速度太慢”主軸剎車器制動(dòng)，30s后松開并一直處于打開狀態(tài)，其后，在長(zhǎng)達(dá)10多分鐘的時(shí)間內(nèi)，機(jī)組處于超速、空轉(zhuǎn)的狀態(tài)，而轉(zhuǎn)速一直低于2400rpm。當(dāng)風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速超過2400rpm，主軸剎車器制動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速也僅升至2406rpm，然而，因機(jī)組已長(zhǎng)時(shí)間超速、搖晃，制動(dòng)瞬間又產(chǎn)生了巨大的翻轉(zhuǎn)扭矩從而促成機(jī)組倒塌。由于主軸剎車器制動(dòng)的時(shí)間很短，僅有冒煙和火花，機(jī)組并未燒毀。

預(yù)防措施

在機(jī)組運(yùn)維時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查機(jī)組的安全隱患和排除安全性故障。杜絕為追求發(fā)電量而不顧機(jī)組安全情況的發(fā)生。

一、緊急順槳控制回路故障的產(chǎn)生及處理

從現(xiàn)場(chǎng)的故障處理經(jīng)驗(yàn)來看，緊急順槳控制回路故障可能源自：風(fēng)電機(jī)組控制柜、輪轂的生產(chǎn)接線錯(cuò)誤；機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障；維修人員不適當(dāng)?shù)墓收咸幚矸绞?，或維護(hù)人員在維護(hù)時(shí)的錯(cuò)誤改線造成機(jī)組在緊急順槳時(shí)，葉片不能按正常的電池順槳回路進(jìn)行順槳。

定期在風(fēng)電場(chǎng)或者通過遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)組安全系統(tǒng)進(jìn)行檢查，檢查機(jī)組是否能順利通過自檢，當(dāng)機(jī)組自檢報(bào)“葉片不能回

到限位開關(guān)（1159）”故障時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)予以排除。

二、主控、變槳控制程序的改進(jìn)措施

對(duì)主控的剎車程序BP190進(jìn)行改進(jìn)。按照該控制器的原設(shè)置，執(zhí)行緊急順槳的同時(shí)輔助以主軸剎車器制動(dòng)，無論葉片是否回到限位開關(guān)位置，執(zhí)行該剎車程序30s后，主軸剎車器會(huì)無條件地松開。由此，若葉片能順利回到限位開關(guān)位置，及時(shí)松開主軸剎車器，有利于保護(hù)齒輪箱和機(jī)組安全，但是，如果葉片沒有回到限位開關(guān)位置，則可能危及機(jī)組安全。

正如本文的第1節(jié)“三槳葉同時(shí)不能順槳引發(fā)的飛車事故”中的的事例一那樣，如果把主控程序修改為：只有當(dāng)葉片到達(dá)92°限位開關(guān)位置，主軸剎車器才會(huì)松開；如葉片沒有到達(dá)92°限位開關(guān)位置，主軸剎車器則不松開，這樣事例一中的事故機(jī)組就不會(huì)出現(xiàn)再次“迅速啟機(jī)”，機(jī)組燒毀、倒塌事故便不會(huì)發(fā)生。

三例事故的共同點(diǎn)是：在緊急順槳控制回路和變槳通訊同時(shí)出現(xiàn)故障后，因輪轂控制器的“變槳自主運(yùn)行”順槳程序執(zhí)行條件過于苛刻，不能滿足。因此，該順槳停機(jī)程序不能執(zhí)行，從而造成了機(jī)組飛車、倒塌和燒毀事故的發(fā)生。

因此，需修改、完善輪轂控制器的“變槳自主運(yùn)行”停機(jī)程序。尤其是當(dāng)出現(xiàn)“變槳通訊故障”后，機(jī)組又出現(xiàn)超速時(shí)，應(yīng)確?！白儤灾鬟\(yùn)行”停機(jī)程序的順利執(zhí)行。即：把“變槳自主運(yùn)行”停機(jī)程序的“進(jìn)槳”“順槳”限制條件進(jìn)行完善或去除。為確保出現(xiàn)緊急順槳控制回路和變槳通訊同時(shí)故障時(shí)的機(jī)組安全，可增加輪轂控制器對(duì)“變槳通訊”故障的判斷。當(dāng)輪轂控制器判斷有變槳通訊故障時(shí)，輪轂則執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”停機(jī)程序，這樣，當(dāng)機(jī)組正常時(shí)，執(zhí)行正常的緊急順槳停機(jī)，如緊急順槳控制回路和變槳通訊同時(shí)故障時(shí)，能通過執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”停機(jī)程序使機(jī)組順槳，冗余保證機(jī)組安全運(yùn)行。

結(jié)語

為減少機(jī)組故障，避免重大事故的再次發(fā)生，應(yīng)充分理解、消化和吸收國內(nèi)外先進(jìn)的風(fēng)電技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)、運(yùn)行的狀況，建立良好的風(fēng)電場(chǎng)管理體制，提高現(xiàn)場(chǎng)人員的技術(shù)水平及機(jī)組維護(hù)和維修質(zhì)量，定期重點(diǎn)檢查事故多發(fā)的關(guān)鍵部位，讓消除安全隱患落到實(shí)處。

（作者單位：東方電氣風(fēng)電有限公司）