大唐哈密風電開發(fā)有限公司 甄炳文

1 緒論

一般情況，風機的超速保護具有優(yōu)先級，一般先觸發(fā)軟超速故障，如果軟超速失效，才觸發(fā)超速安全鏈故障。安全鏈故障后機組進入緊急停機，風機緊急順槳實現(xiàn)空氣動力剎車和高速軸機械剎車。風機正常運行時高速軸剎車必須處于斷開位置，如果風機運行過程中剎車動作，可能引發(fā)高速剎車摩擦起火、齒輪箱過載損壞等，因此分析清楚風機超速保護動作的邏輯，加強保護日常管理，對風機安全運行至關重要。

2 葉輪超速剎車故障案例及解釋

2019年3月19日09時39分57秒，某風電場#29風機報SS-2：葉輪超速剎車故障，故障零時刻平均風速21.37m/s，葉輪轉速13.29rpm，發(fā)電機轉速1270.4rpm，機組處于大風天氣滿發(fā)電狀態(tài)。查閱該風機最近兩年的相同故障記錄，該風機在2018年6月至2019年3月共報過完全相同的故障4次，且故障前未觸發(fā)其他轉速類故障。

圖1

如表1所示，華銳風機配置了1320rpm和1380 rpm兩級定值的發(fā)電機軟超速保護，同時配置了葉輪超速、機側變頻器檢測超速以及葉輪超速剎車三個安全鏈硬件超速保護。發(fā)電機轉速測量數(shù)據(jù)反饋機側變頻器，由機側變頻器進行檢測，機側變頻器檢測超速指的就是變頻器檢測到發(fā)電機超速。

表1

在表1中的5個超速保護中，葉輪超速剎車屬于安全鏈中等級最高的超速保護，故障時不僅觸發(fā)安全鏈緊急停機，同時也觸發(fā)齒輪箱高速軸剎車。按照超速保護故障等級，此故障觸發(fā)之前應先觸發(fā)故障等級較低的兩級軟超速保護和兩個安全鏈硬保護超速，但實際上沒有發(fā)生，也就是說#29風機的葉輪超速剎車故障屬于超速保護越級保護，其原因有兩種：一是較低級別的超速保護失靈；二是較高級別的保護定值設置過小導致保護提前動作。

3 華銳風機超速故障邏輯

風機的葉片吸收風能后驅動葉輪旋轉，通過齒輪箱的增速作用，將葉輪的低轉速大轉矩作用力轉換為雙饋發(fā)電機的高轉速小扭矩作用力，帶動風力發(fā)電機旋轉產(chǎn)生電能，這樣將風的動能轉化為電能。華銳SL3000機組采用雙饋異步發(fā)電機，發(fā)電機定子繞組直接和電網(wǎng)連接，轉子繞組和頻率、幅值、相位都可以按照要求進行調節(jié)的變頻器相連。變頻器采用“交—直—交”的形式與電網(wǎng)連接，控制電機在亞同步和超同步轉速下都保持發(fā)電狀態(tài)，并隨著風速的變化調節(jié)發(fā)電機的轉速，如圖2所示為風機發(fā)電原理圖。

圖2 風機發(fā)電原理圖

按照風機控制系統(tǒng)設計規(guī)范，風力發(fā)電機組應配備兩套獨立的轉速監(jiān)測系統(tǒng)，其中應至少有一個轉速傳感器設置在風輪上，風機在正常運行時，葉輪轉速和發(fā)電機轉速均應處于一定的轉速范圍，任一路轉速信號出現(xiàn)異常，應停止機組運行。根據(jù)轉速的測量和比較原理，華銳風機配置了轉速測量故障和轉速比較故障。

3.1 轉速的測量故障（即超速保護故障）

轉速的測量。為控制風機轉速，確保風機安全運行，華銳3MW風機分別在齒輪箱低速軸和發(fā)電機輸出軸上安裝了旋轉編碼器，用于檢測風機的葉輪轉速和發(fā)電機轉速，如表2所示。

表2

一般情況，風機的超速保護具有優(yōu)先級，一般先觸發(fā)程序邏輯計算的軟超速故障，如果軟超速失效，才觸發(fā)超速安全鏈故障。

3.2 轉速比較故障（即速度測量合理性故障）

轉速的比較。由于雙饋風機通過齒輪箱傳動系統(tǒng)將葉輪的低轉速轉換為發(fā)電機的高轉速，而齒輪箱的傳動比是一定的，所以在正常情況下，葉輪的低轉速和發(fā)電機的高轉速具有一定的比例關系，不能超出比例范圍，如表3所示。

表3

根據(jù)轉速比較故障的動作原理，發(fā)電機轉速與葉輪轉速的差值，是按照將發(fā)電機編碼器測量的發(fā)電機轉速與滑環(huán)編碼器測量的葉輪轉速，按速比選型確定的傳動比折算成對應的發(fā)電機理論轉速進行比較的：當｜n發(fā)電機-n葉輪×i選型｜≥i選型時，風機報轉速差故障，由于n葉輪=n發(fā)電機/i實際，根據(jù)以上不等式進行折算，當發(fā)電機轉速n發(fā)電機≥i實際×i選型/ |i實際-i選型｜時，風機在旋轉過程中就會報709或708轉速差故障。如風機配置為大速比齒輪箱，實際傳動比為=95.477，硬件選型將速比設定為小速比齒輪箱，設定傳動比為=84.95，則根據(jù)以上不等式計算，當發(fā)電機轉速n發(fā)電機≥770.47rpm時，風機在旋轉過程中就會報709或708轉速差故障。

4 葉輪超速剎車故障原因分析

葉輪超速剎車保護定值按照1.2倍的發(fā)電機額定轉速進行整定，并進行取整處理，當超速繼電器檢測到葉輪轉速超過1.2倍的發(fā)電機額定轉速即1.2×1200rpm/傳動比時，觸發(fā)安全鏈硬件保護故障，高速軸剎車動作?，F(xiàn)場華銳風機現(xiàn)場使用大連重工、南高齒兩個廠家三種不同傳動比的齒輪箱，因此葉輪超速剎車保護定值應根據(jù)具體的齒輪箱配置進行設置，即1440/齒輪傳動比，為便于計算結果取整數(shù)，一般按照1450/傳動比進行整定。

表4

如果是較低級別的超速保護失靈，從機組故障時刻的發(fā)電機轉速最大轉速來看，發(fā)電機轉速（1270.4rpm）距離1.2倍的發(fā)電機額定轉速（1440rpm）尚有一段距離，可以排除這種可能；如果是保護定值設置過小，比如風機實際配置為大重小速比齒輪箱，葉輪超速保護定值應設定為17.06rpm，實際按照大重大速比齒輪箱設置為15.18rpm，將導致葉輪超速剎車保護提前觸發(fā)。

4.1 現(xiàn)場齒輪箱傳動比確認

表5

4.2 葉輪超速保護定值檢查

2019年3月22日，登機檢查超速繼電器參數(shù)設置，發(fā)現(xiàn)葉輪超速剎車保護定值根據(jù)大速比齒輪箱傳動比95.477設置為15.18rpm，參數(shù)設置錯誤。

4.3 超速保護越級動作原因

超速繼電器中葉輪超速剎車故障保護定值設置錯誤，導致葉輪超速剎車安全鏈保護越級動作。葉輪超速剎車保護定值設置過小導致保護提前動作的原理。將葉輪超速剎車保護定值設置為15.18rpm，當發(fā)電機實際轉速到達1289.54rpm時，雖然轉速還沒有到達發(fā)電機軟超速故障保護定值1320rpm，但是用發(fā)電機實際轉速1289.54rpm除以齒輪箱實際傳動比84.95折算出來了的葉輪實際轉速已經(jīng)達到了葉輪超速剎車保護定值15.18rpm的觸發(fā)條件，即1289.54rpm/84.95=15.18rpm。

4.4 暴露問題

一是機組配置多樣化和設備參數(shù)不統(tǒng)一，保護定值管理精細化程度不夠；二是人員技術技能水平不足，重要設備缺陷管理不到位，導致風機葉輪超速剎車故障多次重復發(fā)生；三是設備隱患排查不深入，未能結合以往歷次安全鏈排查測試及時發(fā)現(xiàn)葉輪超速剎車保護定值設置不正確問題；四是技術培訓工作不到位，風電場值班人員對風機葉輪超速剎車保護越級動作危險性認識不到位。

5 葉輪超速剎車保護越級動作造成齒輪箱過載損壞案例

5.1 故障情況

故障2022年3月13日01時27分，DT29風機報GH_Controller測得的驅動鏈震動告警故障，09時00分開票登機檢查，在風速3m/s下手動變槳至83.9度，發(fā)現(xiàn)風機葉輪無法轉動，發(fā)電機轉速為0，手動盤車聯(lián)軸器無法轉動，對主軸承開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)滾珠無異常，但傳動鏈無法轉動，初步判斷可能是齒輪箱內(nèi)齒面或軸承卡死。

3月14日進行齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查，通過三個觀察孔及呼吸器安裝孔檢查一級行星輪齒面及軸承、二級行星輪齒面及軸承、高速軸齒面及軸承，發(fā)現(xiàn)齒輪箱一級行星齒面、二級行星齒面存在點蝕、剝落情況，一級行星輪軸承滾珠與保持架間隙間有磨損鐵屑，3月15日再次登機檢查，發(fā)現(xiàn)一級大齒圈1個齒面斷裂。

如上所述，該風機在2018年6月至2019年3月，共報過完全相同的故障4次，其中最后1次2019年3月19日，故障零時刻平均風速21.37m/s，葉輪轉速13.29rpm，發(fā)電機轉速1289.54rpm，機組處于大風天氣滿發(fā)電狀態(tài)，判斷齒輪箱在運行過程中，由于高速軸剎車多次突然投入，給風機傳動鏈包括齒輪箱造成巨大沖擊。

圖4

如圖3所示，為齒輪箱內(nèi)部結構及高速軸剎車大盤，可以看出由于主制動器瞬間抱閘，剎車片與剎車大盤摩擦產(chǎn)生高溫，導致剎車盤有燒傷，因齒輪箱高速軸突然抱死，低速軸系在大扭矩作用下嚴重過載，最終導致一級行星齒損傷，在后續(xù)長時間運行過程中逐步劣化，大齒圈1個齒面斷裂。

圖3

5.2 故障前維護情況

追溯維護記錄，2021年11月18日風機報出齒輪油電氣泵壓力高于極限值，開票登記檢查發(fā)現(xiàn)濾芯上有鐵粉，有少量金屬屑，濾筒底部有金屬粉末，更換電氣泵和機械泵濾芯。

圖5

2022年01月04日，CMS振動在線檢測報告顯示DT29風機齒輪箱由“正常”升級為“注意”。于2022年01月17日齒輪箱專項檢查，動態(tài)檢查無異音，更換齒輪箱電氣泵及機械泵濾芯，并更換濾筒密封圈；2022年02月23日，進行DT29風機齒輪箱油品更換工作，排出齒輪箱廢油630L；對齒輪箱進行一次沖洗，兩次清洗（使用齒輪油400L）；對齒輪箱濾筒底座鐵屑進行清理；更換濾芯2個、密封圈4個；加注嘉實多齒輪油700L。

圖6

6 結論

雙饋風力發(fā)電機組葉輪超速保護定值參數(shù)的設置，與機組的配置情況密切相關，風電場運維人員應在理解相關定值設置原理的基礎上，結合實際合理設定風機超速保護定值，加強保護定值管理及隱患排查，避免保護越級動作，風機在高速轉動過程中繼續(xù)剎車突然投入，給設備安全穩(wěn)定運行留下不可逆轉的隱患。