風(fēng)機安全鏈電路分析及安全控制策略的探討

楊雄杰，徐文舉

（1.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000；2.東方電氣（酒泉）新能源有限公司，甘肅酒泉，735000）

風(fēng)機安全鏈電路分析及安全控制策略的探討

楊雄杰1，徐文舉2

（1.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000；2.東方電氣（酒泉）新能源有限公司，甘肅酒泉，735000）

風(fēng)機安全鏈是風(fēng)機控制系統(tǒng)的核心控制電路，它實時監(jiān)控涉及風(fēng)機安全的各部分控制環(huán)節(jié)，是確保風(fēng)機安全可靠穩(wěn)定運行的重要保障。文章以MITA WP3100主控系統(tǒng)為例，從安全鏈的電源、安全鏈自鎖回路、安全鏈觸發(fā)、安全鏈復(fù)位等幾個方面分析了風(fēng)機安全鏈電路，對提高風(fēng)機安全鏈電路的認識及故障處理有指導(dǎo)作用；對風(fēng)機安全控制策略提出了改進思路。

安全鏈，超速模塊，MITA WP3100

0 引言

要提高風(fēng)機的可利用率或?qū)崿F(xiàn)風(fēng)場無人值守運行，最重要的工作是要確保風(fēng)機安全穩(wěn)定地自動運行。風(fēng)機安全鏈是確保風(fēng)機安全運行的核心控制電路，風(fēng)機安全鏈主要由安全鏈電源、安全鏈自鎖回路、安全鏈觸發(fā)、安全鏈復(fù)位等幾個部分組成。以下從這幾個方面，分析論述安全鏈的構(gòu)成并對實際運行中遇到的安全鏈問題進行討論。

1 風(fēng)機安全鏈電路構(gòu)成

所謂風(fēng)機安全鏈就是由直流24 V供電，串聯(lián)一系列常閉開關(guān)接點的繼電器自鎖回路。這個繼電器叫安全鏈繼電器。風(fēng)機正常時，安全鏈繼電器得電自鎖閉合，遇到緊急狀況時，對應(yīng)故障的常閉開關(guān)接點斷開，安全鏈斷開，安全鏈繼電器斷開，風(fēng)機剎車程序200，處于緊急剎車狀態(tài)，葉片通過后備電源快速收槳。主軸剎車立即抱死。

1.1安全鏈電源

圖1為安全鏈24 V直流電源結(jié)構(gòu)圖。

圖1 安全鏈電源結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)機電網(wǎng)電壓690 V通過一個開關(guān)接到容量為40 kVA的三相變壓器E001T2，把690 V變?yōu)槿?00 V；單相對地變?yōu)?30 V，通過開關(guān)E005Q2給UPS供電。UPS輸出230 V交流電通過約100 m長的電纜從塔基變頻器柜送到機艙主控柜；通過F9.7開關(guān)給24 V電源模塊供電，最后24 V電源模塊給安全鏈回路提供24 V直流穩(wěn)壓電源。當(dāng)電網(wǎng)掉電時，由UPS提供約3 min的電源支持。

1.2安全鏈回路

安全鏈回路分為兩部分：

第一部分為急停安全鏈繼電器回路，如圖2所示。

圖2 急停安全鏈繼電器回路方框圖

帶自鎖功能的3個緊急停止按鈕，分別布置在機艙主控柜面板上、塔基變頻器在控制柜面板上、機艙可便攜移動的急停按鈕盒3個位置。3個常閉開關(guān)串聯(lián)在一起，機艙主控柜急停按鈕通過90 m左右電纜連接到塔基變頻器控制柜急停按鈕常閉開關(guān)的一端，另一端再從塔基通過90 m左右電纜返回機艙控制柜和機艙可便攜移動的急停按鈕盒連接。機艙可便攜移動的急停按鈕盒常閉開關(guān)出線后連接急停安全鏈繼電器。

如圖3所示：正常情況下，3個緊急停止按鈕開關(guān)閉合，急停安全鏈繼電器K.21.9線圈帶電動作。其常開接點閉合，允許手動偏航。

圖3 手動偏航控制電路

3個緊急停止按鈕中任意一個被按下后，急停安全鏈繼電器K.21.9線圈斷電。其常開接點斷開，切斷了手動CW偏航繼電器K.28.9線圈及手動CCW偏航繼電器K.28.10線圈的供電，禁止手動偏航。同時中斷了安全鏈供電，安全鏈斷開，激活剎車200。

安全鏈回路第二部分為安全鏈控制電路，如圖4所示。

來自急停安全鏈繼電器電路的24 V電源，順序串聯(lián)葉片維護開關(guān)、偏航CW及CCW極限位置開關(guān)、機艙晃動傳感器開關(guān)、主軸超速模塊開關(guān)、齒輪箱超速模塊開關(guān)、主控系統(tǒng)OK信號開關(guān)，一共串接了7個開關(guān)接點。

圖4 安全鏈控制電路方框圖

當(dāng)風(fēng)機系統(tǒng)正常，沒有出現(xiàn)任何故障時，葉片維護開關(guān)、偏航CW及CCW極限位置開關(guān)、機艙晃動傳感器開關(guān)、主軸超速模塊開關(guān)、齒輪箱超速模塊開關(guān)、主控系統(tǒng)OK信號開關(guān)7個接點全部導(dǎo)通。

按下機艙控制柜復(fù)位按鈕或按下變頻器控制柜復(fù)位按鈕后，整個安全鏈復(fù)位，安全鏈繼電器K.11.8、K.11.9得電動作，K.11.8繼電器的一個常開接點自鎖閉合，安全鏈處于復(fù)位閉合自鎖狀態(tài)，同時給主控142端口送一個高電平，通知主控說明安全鏈處于閉合正常狀態(tài)。

2 安全鏈處于復(fù)位閉合自鎖狀態(tài)時，安全鏈的控制功能

（1）給CW偏航及CCW偏航電機繼電器提供230 V交流電源。安全鏈斷開時禁止機艙自動偏航。

（2）給電池快速收槳信號提供復(fù)位。安全鏈斷開時，立即啟動電池快速收槳。

（3）給變頻器提供復(fù)位信號。經(jīng)過一個交流中間繼電器轉(zhuǎn)換，將直流24 V電壓等級的主控安全鏈繼電器常開接點轉(zhuǎn)換為230 V交流繼電器接點，串聯(lián)到一個230 V交流電壓的變頻器并網(wǎng)斷路器失壓脫扣線圈回路，安全鏈斷開時，立即斷開并網(wǎng)斷路器。

（4）給偏航剎車繼電器、發(fā)電機散熱風(fēng)扇繼電器提供電源。安全鏈斷開時，偏航剎車器處于剎車狀態(tài)，發(fā)電機風(fēng)扇停止工作。

（5）給齒輪箱的循環(huán)油泵繼電器、齒輪箱散熱風(fēng)扇電機繼電器、齒輪箱加熱繼電器提供電源。安全鏈斷開時，禁止齒輪箱的循環(huán)油泵、齒輪箱散熱風(fēng)扇、齒輪箱加熱器工作。

（6）給風(fēng)機起動時，葉片92°限位開關(guān)旁路信號提供復(fù)位。安全鏈斷開時，禁止葉片動作。

（7）給主軸剎車繼電器提供電源。安全鏈斷開時，主軸剎車處于剎車狀態(tài)。

3 安全鏈觸發(fā)

3.1葉片維護開關(guān)

需要進入輪轂工作時，必須把葉片維護開關(guān)打到位置“1”，將風(fēng)機安全鏈斷開?？梢源_保維護人員在輪轂里工作時，風(fēng)機無法遠程復(fù)位或自動復(fù)位起動運行。同時給輪轂控制器手動操作提供支持。

3.2風(fēng)機偏航極限位置開關(guān)

風(fēng)機正向偏航CW及反向偏航CCW壓到極限位置開關(guān)時，將風(fēng)機安全鏈斷開。禁止繼續(xù)偏航，防止從塔筒底部送到機艙上的690 V/400 V、UPS電源電纜、發(fā)電機靜/轉(zhuǎn)子電纜及光纖被扭斷。可以通過手動反方向偏航到機艙初始零位解除硬件報警，恢復(fù)安全鏈。

3.3機艙晃動傳感器開關(guān)

當(dāng)風(fēng)機強烈振動，引起機艙前后或左右晃動超過設(shè)定保護值時，機艙晃動傳感器動作，將風(fēng)機安全鏈斷開。

3.4主軸超速檢測模塊開關(guān)K.40.7

在風(fēng)機主軸上安裝有主軸轉(zhuǎn)速測速盤，主軸旋轉(zhuǎn)一圈，可以產(chǎn)生24個脈沖。

例如：主軸旋轉(zhuǎn)速度為12 r/min，脈沖頻率為：24×12/60=4.8 Hz。主軸允許最大旋轉(zhuǎn)速度為25 r/min，對應(yīng)脈沖頻率為10 Hz，當(dāng)模塊檢測到脈沖頻率大于10 Hz時，主軸超速檢測模塊開關(guān)的常開接點斷開，將風(fēng)機安全鏈斷開，同時給主控139端口一個高電平信號，通知主控主軸超速模塊動作了。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降，脈沖頻率小于10 Hz時，主軸超速檢測模塊開關(guān)復(fù)位，其常開接點接通，但安全鏈需要人工復(fù)位，其常閉接點斷開，給主控的高電平信號斷開，通知主控主軸旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)小于超速整定值，允許人工復(fù)位。

主軸超速模塊的干接點，設(shè)計為帶電吸合，可以監(jiān)視UPS電源或模塊的接插件是否接觸良好。接插件松動或UPS掉電時，立即觸發(fā)安全鏈動作。

3.5齒輪箱高速軸超速檢測模塊開關(guān)K.40.9

在風(fēng)機齒輪箱輸出軸上安裝有齒輪箱高速軸測速盤，齒輪箱高速軸旋轉(zhuǎn)一圈，可以產(chǎn)生2個脈沖。

例如：主軸旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min，脈沖頻率為：2 100×2/60=70 Hz。例如齒輪箱高速軸允許最大旋轉(zhuǎn)速度為1 950 r/min，對應(yīng)脈沖頻率為65 Hz，當(dāng)模塊檢測到脈沖頻率大于65 Hz時，齒輪箱高速軸超速檢測模塊開關(guān)的常開接點斷開，將風(fēng)機安全鏈斷開。同時給主控140端口一個高電平信號，通知主控：齒輪箱高速軸超速模塊動作了。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降，脈沖頻率小于65 Hz時，齒輪箱高速軸超速檢測模塊開關(guān)復(fù)位，其常開接點接通，但安全鏈需要人工復(fù)位，其常閉接點斷開，給主控的高電平信號斷開，通知主控：齒輪箱高速軸旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)小于超速整定值，允許人工復(fù)位。

齒輪箱超速模塊的干接點，設(shè)計為帶電吸合，可以監(jiān)視UPS電源或齒輪箱超速模塊的接插件是否接觸良好。如果超速模塊接插件松動或主控UPS掉電時，立即激活安全鏈動作。

3.6 WP3100內(nèi)部繼電器

WP3100主控器實時檢測風(fēng)機主軸、齒輪箱高速軸、發(fā)電機軸的轉(zhuǎn)速，如果超過允許的最大值，則WP3100內(nèi)部繼電器斷開觸發(fā)安全鏈斷開。

WP3100主控器實時檢測風(fēng)機機艙可移動急停按鈕、變頻器急停按鈕、機艙控制面板急停按鈕的工作狀態(tài)，如果檢測到按鈕動作，則WP3100內(nèi)部繼電器斷開觸發(fā)安全鏈斷開。

4 安全鏈復(fù)位

4.1安全鏈上電復(fù)位

電網(wǎng)停電后再來電時，上電復(fù)位繼電器K.9.5延時150 s，一方面其常開接點單穩(wěn)態(tài)動作，導(dǎo)通1 s，相當(dāng)于人工按動一次復(fù)位按鈕；另一方面其常閉接點斷開，給主控系統(tǒng)一個低電平有效的復(fù)位信號。通知主控開始自檢，如果系統(tǒng)自檢正常通過，則安全鏈自動復(fù)位。安全鏈復(fù)位正常后，主軸剎車延時繼電器K.11.10延時24 s，松開主軸剎車。風(fēng)機開始啟動。

4.2風(fēng)機安全鏈觸發(fā)故障復(fù)位

如果風(fēng)機由于偏航計數(shù)器硬件觸發(fā)，或風(fēng)機主軸或風(fēng)機齒輪箱超速模塊動作，或風(fēng)機振動超標引起晃動傳感器動作，或主控檢測到軟件超速都將激活安全鏈斷開。此時無法通過風(fēng)機監(jiān)控SCAD系統(tǒng)遠程復(fù)位，必須人工到風(fēng)機塔筒變頻器面板或風(fēng)機機艙主控面板進行就地復(fù)位。目的是要現(xiàn)場人員必須就地解決安全鏈觸發(fā)的故障，才允許風(fēng)機再次起動，以免故障擴大。

5 關(guān)于風(fēng)機安全鏈問題的討論

5.1安全鏈觸發(fā)后，手動偏航是否起作用

安全鏈觸發(fā)分兩種情況，一種是由急停按鈕引起的安全鏈觸發(fā)，例如：機艙可移動急停按鈕或機艙控制面板急停按鈕或變頻器急停按鈕動作引發(fā)的安全鏈觸發(fā)。這種情況下，手動偏航不起作用。

另一種是由于葉片維護開關(guān)、偏航CW及CCW極限位置開關(guān)、機艙晃動傳感器開關(guān)、主軸超速模塊開關(guān)、齒輪箱超速模塊開關(guān)、主控系統(tǒng)OK信號開關(guān)等一共串接了7個開關(guān)接點所引起的安全鏈觸發(fā)，可以執(zhí)行手動偏航。

正是因為有了這個功能，在風(fēng)機調(diào)試時為了節(jié)省調(diào)試時間，只要在安全風(fēng)速下，風(fēng)機的輪轂調(diào)試與機艙偏航調(diào)試可以同時進行。

也正是因為這個原因，使用手動偏航時，有可能將電纜過度扭轉(zhuǎn)而損壞。目前風(fēng)機塔筒底部變頻器面板上的手動偏航開關(guān)都改成手動按鈕式開關(guān)，人離開時偏航即刻停止。以防止風(fēng)機停電時，不小心把偏航開關(guān)置位，風(fēng)機來電時風(fēng)機一直處于偏航狀態(tài)，直到把電纜扭斷的情況發(fā)生。由于偏航轉(zhuǎn)動一圈需要12 min，機艙偏航調(diào)試時也要特別注意小心偏航扭轉(zhuǎn)過度損壞電纜。

5.2風(fēng)機安全鏈觸發(fā)后，安全鏈斷開，主軸剎車是否立即投入

風(fēng)機安全鏈觸發(fā)后，安全鏈斷開，激活剎車200，主軸剎車立即投入。

如果風(fēng)機處于滿功率發(fā)電狀態(tài)，安全鏈斷開后，激活剎車200，主軸剎車立即投入。剎車系統(tǒng)將產(chǎn)生2.5倍額定力矩的阻力矩：8 300×2.5= 2.075×104N·M。

2×104N·M的阻力矩將對傳動鏈系統(tǒng)造成很大的沖擊。如果經(jīng)常性地在額定負載情況下發(fā)生安全鏈斷開故障，會對齒輪箱齒面產(chǎn)生沖擊效應(yīng)。影響齒輪箱齒面的壽命。風(fēng)機的正常停機主要是靠葉片正常收槳到90°位置來實現(xiàn)的。在額定風(fēng)速情況下，如果葉片沒有正常收槳到90°位置，單方面靠主軸剎車是剎不住的，即使剎住了，也會由于剎車片高溫磨損，摩擦系數(shù)下降，而重新超速飛車。因此，本文提出了一個優(yōu)化剎車程序的方案：主控檢測到安全鏈斷開時，首先檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)速，如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以下，立即投入主軸剎車；發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于1 000 r/ min，延時10 s投入剎車。如果葉片快速收槳速度是6°/s，10 s可以收槳60°，以減少對傳動鏈系統(tǒng)的沖擊負載。

實際應(yīng)用時，為確?？煽啃裕l(fā)電機轉(zhuǎn)速的測定，需要將主軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、齒輪箱轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速3個轉(zhuǎn)速同時作為評判條件；增加一個10 s延時繼電器作為硬件保護，時間一到，無條件立即剎車。以防止極端情況下，由于主控死機，安全鏈不動作的情況發(fā)生。

風(fēng)機在停機狀態(tài)，進行故障檢修時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為零，安全鏈斷開后，則立即投入剎車，不影響風(fēng)機的檢修操作，剎車效果和原來一樣。

6 風(fēng)機安全鏈斷開故障的危害及分析處理

6.1風(fēng)機安全鏈斷開故障的危害

6.1.1 主軸剎車一直處于剎車狀態(tài)，機艙禁止自動偏航

由于風(fēng)機不能自動對準風(fēng)向，大風(fēng)期間，風(fēng)向發(fā)生變化后，葉片將受側(cè)向風(fēng)力影響產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，又因為主軸剎車一直處于剎車狀態(tài)，將造成齒輪箱高速齒面一直持續(xù)產(chǎn)生打齒現(xiàn)象，造成齒輪箱齒面的損傷。若遇到北方冬季大雪封路的情況，由于安全鏈故障不能盡快解決，風(fēng)機有可能3～5天一直處于齒輪箱齒面撞擊狀態(tài)。

6.1.2 必須人工到風(fēng)機塔基復(fù)位

如果故障風(fēng)機距離監(jiān)控室較遠，來回路途就要1個多小時，如果故障不能及時準確排除，剛復(fù)位起機轉(zhuǎn)不到1～2 h又報故障，由于距離較遠，來回復(fù)位起機，將造成人力物力的浪費。

目前有一些國產(chǎn)的風(fēng)機主控系統(tǒng)，設(shè)計為允許安全鏈遠程復(fù)位，雖然可以解決遠距離就地復(fù)位長途奔波問題，但也引發(fā)更嚴重的安全問題。例如某風(fēng)場由于風(fēng)機葉片沒有完全收槳，風(fēng)機超速，安全鏈斷開，報緊急剎車程序200，雖然主軸剎車已經(jīng)把主軸剎死，但監(jiān)控室又通過遠程復(fù)位了安全鏈故障，風(fēng)機又重新旋轉(zhuǎn)至超速緊急狀態(tài)，由于主軸剎車片已經(jīng)嚴重磨損，最后風(fēng)機超速倒機。

因此建議：

（1）如果允許遠程復(fù)位安全鏈故障，需要設(shè)計成遠程復(fù)位安全鏈故障必須輸入3把密碼鎖，由3個不同級別的人保管。確保風(fēng)機不存在顛覆性故障情況下，允許復(fù)位。

（2）24 h內(nèi)，只允許遠程復(fù)位2次。

小風(fēng)情況下報安全鏈斷開故障，雖然暫時不會引起風(fēng)機超速，但每次剎車200故障都激活葉片快速收槳，如果是超級電容作為緊急電源，最多收槳3次就沒有電了。遠程復(fù)位次數(shù)超過3次，也存在葉片不能完全收槳的可能，下次大風(fēng)出現(xiàn)時可能引發(fā)超速倒機故障。

6.2風(fēng)機安全鏈斷開故障的分析處理

風(fēng)機安全鏈斷開故障一般與超速模塊動作有關(guān)。

風(fēng)機超速模塊有3種：主軸超速模塊、齒輪箱超速模塊、發(fā)電機超速模塊。

如圖5所示，主軸超速模塊K.40.7、齒輪箱超速模塊K.40.9、2個帶電吸合干接點直接串聯(lián)在安全鏈回路，超速模塊動作時，安全鏈回路立即斷開，激活剎車程序200。發(fā)電機超速模塊K.40.5的接點沒有串聯(lián)到安全鏈回路里，當(dāng)發(fā)電機超速模塊K.40.5動作時激活變槳自主運行，剎車程序52，不會直接斷開安全鏈。

圖5 安全鏈觸發(fā)控制電路

風(fēng)機安全鏈觸發(fā)故障時，如果是在沒有風(fēng)或在小風(fēng)情況下報超速模塊動作，一般是超速模塊接插件松動或超速模塊本身故障。還有一種情況是測速傳感器安裝位置離測速盤太近或太遠，或測速盤被潤滑油脂所覆蓋，如圖6、圖7所示。

圖6 現(xiàn)場照片

如圖6所示，旋轉(zhuǎn)傳感器探頭與測速盤的間距要控制在2～3 mm范圍內(nèi)，由于風(fēng)機運行過程中的振動、機艙溫度的頻繁變化使測速探頭固定松動以及主軸剎車片剎車過程中產(chǎn)生的鐵粉會附著在探頭表面，因此需要定時清理和緊固探頭。

如圖7所示，主軸測速傳感器探頭與測速盤被油脂覆蓋，造成測速錯誤，低風(fēng)速情況下，經(jīng)常報主軸超速。把油脂清理干凈，主軸超速安全鏈故障得到解決。

圖7 現(xiàn)場照片

7 結(jié)束語

本文分析了安全鏈電路的構(gòu)成，對風(fēng)機安全鏈控制策略、安全鏈問題提出了一些優(yōu)化改進建議。

[1]上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司.MITA-TEKNJk A/S WP3100控制器技術(shù)手冊[Z].2008.

[2]吳佳梁.風(fēng)力機安裝、維護與故障診斷[M].北京:北京化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

Analysis on Safety Chain Circuit of Wind Turbine and Discussion on Safety Control Strategy

Yang Xiongjie1，Xu Wenju2
(1.Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000; 2.Dongfang Electric(Jiuquan)New Energy Co.,Ltd.,Jiuquan Gansu,735000)

Safety chain of the wind turbine is the core control circuit of the wind turbine control system.It can monitor all ports of wind turbine safety control links in real-time,can ensure the security，reliablity and stability of the wind turbine.Taking MITA WP3100 master control system as an example,the wind turbine safety chain circuit is analyzed from the power safety chain，safety chain selflocking circuit，safety chain trigger and safety chain reset,which has a guidance on raising awareness of the safety chain circuit and troubleshooting,and proposes improvement ideas on the safety control strategy of wind turbine.

safety chain，overspeed module，MITA WP3100

TM614

A

1674-9987（2016）04-0064-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.014

楊雄杰 （1963-），男，電氣自動化專業(yè)高級工程師，東方風(fēng)電主任工程師。主要從事風(fēng)機現(xiàn)場調(diào)試、運維技術(shù)支持等工作，研究方向：風(fēng)電機組主控、變槳、變頻技術(shù)優(yōu)化。