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(shù)介紹

根本原因分析技術(shù)（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(shè)備故障機(jī)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(fù)發(fā)生。RCA分析流程見圖1。

目前，RCA技術(shù)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(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，然而在我國風(fēng)電行業(yè)尚未推行。風(fēng)電機(jī)組設(shè)備面臨運(yùn)行環(huán)境惡劣、維修管理不足等問題，風(fēng)電設(shè)備故障重發(fā)率較高。在風(fēng)電行業(yè)開展RCA推廣和應(yīng)用對解決風(fēng)電設(shè)備故障有重要現(xiàn)實(shí)意義，部分風(fēng)電企業(yè)已經(jīng)開始相關(guān)研究與應(yīng)用嘗試。

圖1 RCA分析過程

二、變槳電機(jī)故障背景

內(nèi)蒙某風(fēng)電場擁有200臺FD70B型風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行3年后期變槳電機(jī)故障頻發(fā)，變槳電機(jī)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行至關(guān)重要，如果風(fēng)機(jī)無法收槳則可能導(dǎo)致倒塔、飛車等，引發(fā)嚴(yán)重安全事故，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

該風(fēng)場變槳電機(jī)屬于直流串聯(lián)勵磁電機(jī)，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)電機(jī)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(qiáng)烈的燒焦氣味。變槳電機(jī)故障停運(yùn)信號主要包括：變槳電機(jī)過流報(bào)警并跳開、變槳電機(jī)過熱熱繼電器跳開、變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速高報(bào)警停機(jī)、變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步報(bào)警停機(jī)等。為盡快消除故障恢復(fù)運(yùn)行，維修人員一般進(jìn)行變槳電機(jī)更換，雖更換可以暫時解決問題，因未明確電機(jī)故障根源，所以共模故障頻發(fā)，加大了維修費(fèi)用和發(fā)電損失。因此應(yīng)用RCA技術(shù)對變槳電機(jī)故障進(jìn)行深入的原因分析，對風(fēng)電場有風(fēng)機(jī)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(guān)證據(jù)和材料；②現(xiàn)場設(shè)備勘察、設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀況分析，運(yùn)維人員訪談；③解體故障變槳電機(jī)，分析可能故障點(diǎn)及其故障原因；④結(jié)合設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、故障維修調(diào)研情況，對全部可能故障模式進(jìn)行分析、論證和邏輯判斷；⑤對故障原因進(jìn)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(jī)運(yùn)行、維修、改造記錄及現(xiàn)場故障設(shè)備是RCA分析的重要信息輸入，分析過程中收集和整理了風(fēng)電場自運(yùn)行以來的3年風(fēng)機(jī)故障記錄、變槳電機(jī)運(yùn)行維護(hù)策略、風(fēng)機(jī)改造技術(shù)文件，并對維修人員進(jìn)行了訪談和可能原因分析。

分析選取3臺故障變槳電機(jī)（品牌為LUST）內(nèi)外部勘查，電機(jī)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(jìn)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(jī)內(nèi)部燃燒痕跡較為明顯；部分電機(jī)碳刷燃燒殆盡或磨損嚴(yán)重，部分碳刷銅基座燒蝕嚴(yán)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(jī)歷史故障信息收集、人員訪談、現(xiàn)場變槳電機(jī)解體分析以及經(jīng)驗(yàn)反饋等，最終確定變槳電機(jī)的可能故障模式如下。

（1）電機(jī)接線C插頭滲入齒輪箱油，導(dǎo)致變槳電機(jī)短路；電機(jī)接線C插頭松動，導(dǎo)致變槳電機(jī)停運(yùn)；

（2）電機(jī)接線C插頭斷裂，導(dǎo)致變槳電機(jī)停運(yùn)；

（3）變槳齒輪箱油漏入電機(jī)內(nèi)部，導(dǎo)致變槳電機(jī)短路；

（4）電機(jī)內(nèi)部碳刷碳粉積存，導(dǎo)致變槳電機(jī)短路；

（5）電機(jī)碳刷磨損過度或部分耗盡，導(dǎo)致變槳電機(jī)缺相運(yùn)行；

（6）電機(jī)電磁剎車抱閘故障，導(dǎo)致電機(jī)過流故障；

（7）變槳齒輪箱內(nèi)部卡澀，導(dǎo)致電機(jī)過流故障；

（8）編碼器角度漂移，導(dǎo)致電機(jī)過流故障；

（9）變槳電機(jī)風(fēng)扇故障，導(dǎo)致電機(jī)過熱停運(yùn)。

3.故障模式分析

針對3臺LUST故障變槳電機(jī)，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(jìn)行了初步分析，見表1。

表1 變槳電機(jī)故障模式分析

從以上分析結(jié)果可知，最可能導(dǎo)致變槳電機(jī)故障的故障模式為：變槳齒輪箱油漏入電機(jī)內(nèi)部；電機(jī)內(nèi)部碳刷碳粉積存；電機(jī)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(jī)內(nèi)部。①變槳齒輪箱油附著在定子、轉(zhuǎn)子線圈表面，導(dǎo)致其散熱能力下降，長期運(yùn)行絕緣能力下降。②油的進(jìn)入在變槳電機(jī)換向器表面、碳刷表面形成油膜，電機(jī)運(yùn)行過程中增大了電機(jī)碳刷與換向器之間的接觸電阻，電機(jī)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(yīng)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(dǎo)致定子及轉(zhuǎn)子絕緣下降（甚至短路），密封殼體嚴(yán)重?zé)g，碳刷銅架嚴(yán)重?zé)g。③油進(jìn)入變槳電機(jī)內(nèi)部后，在輪轂轉(zhuǎn)動過程中，當(dāng)電機(jī)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(dǎo)致在電機(jī)運(yùn)行時碳刷在打火過程中，通過油導(dǎo)通正負(fù)極碳刷（碳粉的摻入使油的導(dǎo)電性能加強(qiáng)），導(dǎo)致瞬間碳刷銅架熔毀，在電機(jī)內(nèi)部形成強(qiáng)烈的火焰，將電機(jī)內(nèi)的油與碳粉引燃。

（2）故障模式為變槳電機(jī)內(nèi)部積累碳刷磨損及碳刷過度磨損。風(fēng)電場變槳電機(jī)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(jī)內(nèi)部碳粉進(jìn)行清理吹掃（吹掃前僅對電機(jī)拆卸操作難度就相當(dāng)大），預(yù)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(jī)故障原因有：①碳刷密閉空間碳粉的長期累積，易于在電機(jī)的正負(fù)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(dǎo)致碳刷燒結(jié)，則導(dǎo)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(dǎo)致電機(jī)絕緣損傷短路停機(jī)。③風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時不可避免的發(fā)生振動，造成變槳電機(jī)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(dǎo)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(yùn)動，導(dǎo)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(jìn)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(fēng)機(jī)改造記錄表明，2011年應(yīng)內(nèi)蒙電網(wǎng)對風(fēng)場功率調(diào)節(jié)控制改造要求，變槳風(fēng)機(jī)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(jī)而無法啟動的隱患，改造后利用變槳控制風(fēng)機(jī)功率替代了以停運(yùn)風(fēng)機(jī)響應(yīng)電網(wǎng)功率調(diào)度的要求。經(jīng)分析，該項(xiàng)改造對碳刷磨損有重要影響，圖4為1.5 MW的FD70B型風(fēng)機(jī)的風(fēng)速——功率曲線。

圖4 FD70B型風(fēng)機(jī)功率曲線

（4）風(fēng)機(jī)原功率控制方式。風(fēng)機(jī)風(fēng)速在 0～3.5 m/s時，風(fēng)速小于啟動風(fēng)速，風(fēng)機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)；風(fēng)機(jī)風(fēng)速在 3.5～12.5 m/s時，風(fēng)機(jī)通過變槳電機(jī)將葉片從92°旋轉(zhuǎn)至 0°，使風(fēng)機(jī)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(yùn)部分風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)功率控制。風(fēng)機(jī)風(fēng)速在12.5～25 m/s時，風(fēng)電場可以實(shí)現(xiàn)滿發(fā)功率，但因電網(wǎng)負(fù)荷承載能力有限，因此需要以停運(yùn)部分風(fēng)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)功率控制。風(fēng)機(jī)風(fēng)速＞25 m/s時，風(fēng)速超出風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求風(fēng)速，風(fēng)機(jī)全部停運(yùn)。

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

根本原因1，變槳電機(jī)運(yùn)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(yùn)行導(dǎo)致電機(jī)線圈絕緣的損傷以及碳刷的燒結(jié)；正負(fù)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(dǎo)致電機(jī)停運(yùn)。

根本原因2，碳刷屬于消耗部件，長期運(yùn)行將會消耗殆盡（故障電機(jī)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(dǎo)致電機(jī)碳刷與換向器接觸失效導(dǎo)致電機(jī)故障；此外，大量碳粉積存于電機(jī)端部的密閉空間而未定期清理，易于導(dǎo)致電機(jī)短路燒損線圈或碳刷，最終導(dǎo)致電機(jī)停運(yùn)。

促成因素，變槳電機(jī)的功率控制改造加劇了電機(jī)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(jī)碳刷磨損情況普查和更換：對使用3年左右的電機(jī)進(jìn)行高空更換和地面抽樣檢查其磨損情況，進(jìn)行針對性的維修更換，避免整個電機(jī)的燒毀，以及其他安全事故的發(fā)生。

（2）遠(yuǎn)期維護(hù)策略。定期更換變槳電機(jī)碳刷和定期清理變槳電機(jī)內(nèi)部碳粉（可以通過輪換備件方式管理，風(fēng)機(jī)高空維修操作時可直接更換變槳電機(jī)，在地面對變槳電機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行了碳刷現(xiàn)場更換，運(yùn)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(jìn)入變槳電機(jī)內(nèi)部造成變槳電機(jī)故障）；

定期檢查變槳齒輪箱滲漏油情況，并對滲漏潤滑油嚴(yán)重的齒輪箱進(jìn)行密封條更換，滲漏輕微的進(jìn)行清理處理，避免流入變槳電機(jī)；更改設(shè)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(jī)或者改用無刷變槳電機(jī)，消除該故障模式的發(fā)生。

五、預(yù)期收益評估

該風(fēng)電場目前有200臺風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)有3臺變槳電機(jī)，變槳電機(jī)總數(shù)600臺，變槳電機(jī)故障產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失包括：直接發(fā)電損失、備件采購費(fèi)用、人力資源消耗等，其綜合經(jīng)濟(jì)損失評估模型見圖5。

圖5 風(fēng)機(jī)故障綜合經(jīng)濟(jì)損失評估模型

據(jù)維修反饋，每次電機(jī)更換按照2位運(yùn)維人員工作4 h，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)0.61元/kW·h，人力成本25元/h計(jì)算，600臺變槳電機(jī)故障直接導(dǎo)致的發(fā)電損失、備件采購（每臺變槳電機(jī)按照3萬元估計(jì)）和人力資源消耗分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見表2。

表2 風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)故障經(jīng)濟(jì)損失評估

從表2可知，如果針對變槳電機(jī)故障原因不進(jìn)行深入分析，則由變槳電機(jī)共模故障引起的直接經(jīng)濟(jì)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(jī)故障的重發(fā)，降低設(shè)備維修更換費(fèi)用，而且對于提升風(fēng)電場風(fēng)機(jī)可用率，減少發(fā)電損失有重要作用。

六、結(jié)束語

通過運(yùn)用目前國際先進(jìn)的RCA技術(shù)方法，對風(fēng)電場變槳電機(jī)故障進(jìn)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(fēng)機(jī)運(yùn)行安全水平，降低風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)損失有直接作用。

目前RCA技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)的推廣仍在探索和嘗試中，建議風(fēng)電場建立RCA根本原因分析體系，運(yùn)用RCA技術(shù)對風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行分析，消除或緩解設(shè)備故障，從本質(zhì)上提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性水平，提升風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。