宋中波 夏 暉

作者通聯(lián)：龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程技術(shù)有限公司 北京市西城區(qū)阜成門北大街6號(hào)-9國(guó)際投資大廈1721 100034

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1.概述

某風(fēng)場(chǎng)GE1.5sle雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱機(jī)組），采用SSB設(shè)計(jì)的七柜式直流電動(dòng)變槳系統(tǒng)（圖1）。GEL 8230接收主控PLC發(fā)出的變槳命令，通過軸柜和電機(jī)控制3個(gè)葉片的角度，同時(shí)GEL 8230將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的輪轂內(nèi)設(shè)備情況和葉片角度參數(shù)信息傳輸給主控PLC，構(gòu)成變槳系統(tǒng)的閉環(huán)控制。當(dāng)變槳系統(tǒng)外部供電缺失或其他原因引起緊急停機(jī)時(shí)，變槳系統(tǒng)迅速將電機(jī)供電由DGNR 030Z切換為電池供電，使葉片迅速順槳到90°，保證機(jī)組受力最小，避免發(fā)生飛車事故。

主軸電纜連接變槳系統(tǒng)與機(jī)艙內(nèi)控制柜（機(jī)艙柜），其在機(jī)艙的一端連接在滑環(huán)轉(zhuǎn)子上，滑環(huán)定子通過電纜連接到機(jī)艙柜，滑環(huán)定子和轉(zhuǎn)子之間采用碳刷連接，確保主軸電纜在隨主軸旋轉(zhuǎn)過程中與機(jī)艙內(nèi)電纜始終保持良好接觸（圖2）。主軸電纜包含：①400V 供電采用 5 根 1×10mm2的單芯電纜（L1、L2、L3、N、PE）；②230V控制供電采用4根1×2.5mm2電纜；③輪轂內(nèi)電話線采用2根2×0.35mm2電纜；④輪轂內(nèi)變槳系統(tǒng)和機(jī)艙內(nèi)控制柜之間RS422通信采用2根2×0.5mm2的帶屏蔽層電纜；⑤多根1×2.5mm2和1×1.5mm2的DC 24V信號(hào)線。主軸電纜中心有通氣管，通氣管為硬質(zhì)電纜管，作用是固定主軸電纜內(nèi)部的細(xì)電纜，改善電纜散熱效果。

圖1 SSB變槳系統(tǒng)

圖2 主軸電纜安裝位置

2.故障現(xiàn)象

2009年7月—2010年3月，機(jī)組故障多發(fā)，故障代碼及說明如下，其中晶閘管指DGNR 030Z。

（1）274（1#葉片晶閘管故障）、275（2#葉片晶閘管故障）、276（3#葉片晶閘管故障）。DGNR 030Z內(nèi)部測(cè)量電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相400V輸入的電壓、電流及電樞電壓。正常運(yùn)行時(shí)，DGNR 030Z的輸出繼電器閉合，將BTB信號(hào)（DGNR準(zhǔn)備就緒的DC 24V反饋信號(hào)）輸入到GEL 8230的DI口。若DGNR 030Z出現(xiàn)400V供電電壓低于360V（欠壓）、三相400V缺相或相序錯(cuò)誤、輸出電流過大及晶閘管觸發(fā)錯(cuò)誤，則輸出繼電器斷開，BTB信號(hào)消失。

（2）344（2或3個(gè)葉片晶閘管故障）。至少有2個(gè)BTB信號(hào)消失。

（3）125（葉片變槳超過90°）。至少有1個(gè)葉片的90°限位開關(guān)觸發(fā)。根據(jù)機(jī)組故障記錄，一般報(bào)344故障之后約9s，報(bào)出125故障，這是3個(gè)葉片緊急順槳的時(shí)間。

（4）122（變槳控制器集合故障）。變槳控制器受到擾動(dòng)超過250ms。

3.故障處理

（1）第一階段。因故障不明確，無法準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，故障處理以校線和更換備件為主。先后更換滑環(huán)、GEL 8230、3個(gè)軸柜內(nèi)DGNR及編碼器、變槳主控柜內(nèi)230V控制供電的正弦濾波器、3個(gè)軸柜內(nèi)的400V熔斷器，故障依舊。更換備件同時(shí)，反復(fù)校驗(yàn)輪轂內(nèi)的電纜和主軸電纜，未校出故障點(diǎn)。

（2）第二階段。排除元器件損壞原因，重點(diǎn)檢查電纜接觸，人為斷開相關(guān)電纜，查找機(jī)組故障由哪根電纜引起。試驗(yàn)結(jié)果顯示，多根AC 400V、AC 230V、DC 24V線路斷開都會(huì)引起相同故障，仍無法準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，對(duì)涉及線路進(jìn)行校線，也未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

（3）第三階段。將機(jī)組故障鎖定在24V、230V、400V供電回路，判斷故障原因是電壓或電流波動(dòng)，諧波引起控制回路干擾。使用電能質(zhì)量分析儀和示波器測(cè)量機(jī)組相關(guān)回路波形并進(jìn)行諧波分析，發(fā)現(xiàn)故障機(jī)組與臨近機(jī)組比較，230V控制供電回路諧波含量高出許多。拆掉塔底柜內(nèi)UPS的濾波板，雖然故障機(jī)組諧波含量有所減少，與臨近機(jī)組的諧波含量相當(dāng)，但機(jī)組仍然重復(fù)報(bào)同樣故障，據(jù)此排除諧波是機(jī)組故障原因。

（4）第四階段。將故障查找重點(diǎn)放在電纜上，采取的基本原則是：從塔底400V/230V/24V供電，沿塔底柜→塔筒→機(jī)艙→頂部柜→機(jī)艙→滑環(huán)→主軸孔→輪轂的順序，排查所有電纜段和接頭。發(fā)現(xiàn)塔筒內(nèi)電纜、扭攬?zhí)庪娎|、主軸電纜的絕緣層均有磨損但不嚴(yán)重，沒有漏皮現(xiàn)象。重新包扎、固定相關(guān)電纜后，機(jī)組仍然重復(fù)報(bào)同樣故障。抽出主軸電纜放在進(jìn)艙內(nèi)，使用萬用表對(duì)其兩端校線，校線時(shí)人為不斷擺動(dòng)扭曲電纜，測(cè)得所有電纜的電阻均為0.1～0.2Ω，處于正常導(dǎo)通狀態(tài)。由于主軸電纜在主軸孔內(nèi)，不易固定，雖校線無異常，該電纜出問題的可能性仍然最大，決定更換主軸電纜。在更換主軸電纜過程中，將抽出的舊電纜外側(cè)絕緣層剝開，逐一檢查每根電纜，發(fā)現(xiàn)三相400V的供電電纜L1相有斷點(diǎn)，斷點(diǎn)位置在距離滑環(huán)1m處，位于主軸孔伸入齒輪箱的部分。更換主軸孔內(nèi)的400V供電電纜之后，機(jī)組故障徹底消除，運(yùn)行正常。

4.故障總結(jié)

斷點(diǎn)在L1電纜形成附加電阻Rd（斷點(diǎn)電阻），由熱電阻Rt和接觸電阻Rc組成，其中Rt是斷點(diǎn)處銅芯溫度升高而引起的附加電阻，Rc是斷點(diǎn)處存在壓力而在兩個(gè)接觸面形成的電阻。

（1）據(jù)統(tǒng)計(jì)，若故障后立即復(fù)位，并不是每次都能清除故障，而是隔幾分鐘到十幾分鐘再?gòu)?fù)位方可清除故障。而且故障不能復(fù)位時(shí)，維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校線，都沒有校出故障點(diǎn)。

分析 機(jī)組因故障緊急停機(jī)后，葉片會(huì)迅速順槳至90°，然后變槳電機(jī)停止工作，這將明顯降低輪轂內(nèi)400V供電電纜的電流，齒輪箱油溫也會(huì)隨之降低，導(dǎo)致斷點(diǎn)處的溫度降低較快，軟化的絕緣層會(huì)重新變硬，斷點(diǎn)處壓力也將增大。因此斷點(diǎn)處Rt和Rc均會(huì)變小，此時(shí)Rd＜Rf，復(fù)位即可消除故障。若機(jī)組故障后立即復(fù)位，斷點(diǎn)溫度及其絕緣層溫度未來得及降低，Rd仍＞Rf，造成故障復(fù)位不能。機(jī)組故障停機(jī)后，維護(hù)人員最快也要40min～1h才能到達(dá)故障機(jī)組機(jī)艙和輪轂內(nèi)進(jìn)行校線，此時(shí)斷點(diǎn)處已經(jīng)降溫，Rd減小，因此無法校出故障點(diǎn)?？梢娙魰r(shí)間較短，斷點(diǎn)處溫度對(duì)機(jī)組故障的觸發(fā)起決定性作用。

（2）每次停機(jī)處理故障后，雖然未查到故障點(diǎn)，但是復(fù)位重啟后，機(jī)組都會(huì)運(yùn)行較長(zhǎng)一段時(shí)間，然后才再次報(bào)故障。

分析 機(jī)組停機(jī)后，斷點(diǎn)處溫度會(huì)降低，維護(hù)完畢后重啟機(jī)組，斷點(diǎn)溫度有一個(gè)積累過程，Rd也需要一個(gè)逐漸增大的過程。要使Rd＞Rf，需要一定時(shí)間，而且停機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，Rd下降越多，重啟后機(jī)組可運(yùn)行時(shí)間也越長(zhǎng)。修理機(jī)組時(shí)需要停機(jī)、打開輪轂蓋進(jìn)入輪轂，有時(shí)需要拆滑環(huán)，這些工作都使得電纜斷點(diǎn)處散熱環(huán)境得到改善，因此再積累到機(jī)組報(bào)故障時(shí)所需溫度，需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間。如在維修過程中，有一次拆下主軸電纜進(jìn)行校線后，又將電纜裝回主軸孔，盡管未找到故障點(diǎn)，機(jī)組卻運(yùn)行將近1周。

（3） 雖然機(jī)組故障代碼全部包含 274、275、276、344、125、122，但每次所報(bào)故障順序和代碼組合不盡相同。據(jù)統(tǒng)計(jì)，83%以上都是3個(gè)葉片同時(shí)報(bào)故障，偶有兩個(gè)葉片或1個(gè)葉片報(bào)故障。

分析 由于DGNR 030Z采用模擬控制方式，較之?dāng)?shù)字控制系統(tǒng)精度低，其參數(shù)容易受溫度、濕度等天氣因素影響而引起參數(shù)漂移。因此雖然3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DGNR都設(shè)置供電電壓低于360V時(shí)報(bào)故障，但是其實(shí)際動(dòng)作閾值存在小的差異，如有時(shí)電壓為359.9V報(bào)故障，有時(shí)電壓在360.1V報(bào)故障。當(dāng)Rd變化較快，3個(gè)葉片的故障會(huì)同時(shí)觸發(fā)，反之會(huì)有1個(gè)或兩個(gè)葉片先觸發(fā)故障，剩余葉片未觸發(fā)已停機(jī)。

該機(jī)組故障比較特殊，故障位置比較隱蔽，屬于由接觸電阻引起的重復(fù)性故障。機(jī)組在剛啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，Rd較小，不會(huì)觸發(fā)故障，隨著機(jī)組運(yùn)行，斷點(diǎn)處溫度不斷累積升高，同時(shí)溫度升高導(dǎo)致Rd增大，當(dāng)Rd≥Rf時(shí)，機(jī)組便會(huì)報(bào)故障。機(jī)組故障停機(jī)后，斷點(diǎn)處溫度又會(huì)較快降低，Rd也隨之降低，故障隨之消失。