王明軍，鐘朝飛

(1. 酒泉職業(yè)技術(shù)學院，酒泉 735000；2. 東方電氣風電有限公司，德陽 618000)

0 引言

大型兆瓦級風電機組均配置有變頻器，隨著風電技術(shù)的發(fā)展，變頻器結(jié)構(gòu)也更為復雜。變頻器是風電機組的重要組成部分，具有完善保護功能對其自身及風電機組的安全運行起著重要作用。因此，對于質(zhì)量優(yōu)異、技術(shù)成熟的變頻器，其保護電路也會設(shè)計得較為完善。若雙饋風電機組的發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子線路出現(xiàn)打火，相間、對地短路等，變頻器會瞬間觸發(fā)斷路器跳閘，風電機組的主控制系統(tǒng)(下文簡稱為“主控”)報“變頻器故障”，風電機組停機。當定子線路出現(xiàn)嚴重短路時，還可能觸發(fā)箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，如此可使風電機組及變頻器的安全得以保證，避免電纜、變頻器或風電機組燒毀事故的發(fā)生[1]。

某風電場的1.5 MW雙饋風電機組運行10年后，發(fā)電機定子導電軌接線箱的L3相接線銅排出現(xiàn)了疲勞斷裂，導致定子電纜電流嚴重過載，使電纜絕緣膠皮熔化，定子電纜對地短路引發(fā)變頻器報故障，箱變低壓側(cè)斷路器保護性跳閘，變頻器定子接觸器的L3相出現(xiàn)粘連，風電機組停機。本文首先對風電機組的運行及保護停機狀況進行了介紹，然后針對上述故障案例進行了分析，并給出了預防措施。

1 風電機組運行及保護停機

風電機組會在無干預的情況下自動完成等風檢測、啟機并網(wǎng)、正常發(fā)電和保護停機等功能[2]。在風力小或無風情況下，風電機組輸出負功率時，其會自動停機進入等風狀態(tài)。當風速達到啟動風速以上時，風電機組會自動啟機，并網(wǎng)發(fā)電。當變頻器出現(xiàn)故障時，在變頻器控制板內(nèi)部會報故障，并發(fā)出命令，立即斷開變頻器的斷路器；同時，把變頻器故障信號傳遞給風電機組的主控，再由主控報出“變頻器故障”，之后風電機組停機。然而，報“變頻器故障”并非全部由變頻器自身故障造成，還可能是由電網(wǎng)故障或風電機組停機等原因引發(fā)。

通常情況下，在主控報“變頻器故障”，風電機組停機后，當主控程序設(shè)定的停機間隔時段結(jié)束后，主控會自動給變頻器發(fā)送一個復位信號，此時若變頻器無故障，風電機組可自動并網(wǎng)發(fā)電；若變頻器確實存在某種故障，主控將繼續(xù)報“變頻器故障”，風電機組停機。出現(xiàn)“變頻器故障”后，也可實施手動復位[3]。若是由于外界因素導致變頻器發(fā)生故障，當外界因素排除后，風電機組可再次自動并網(wǎng)。

為保證風電機組的安全運行，其在設(shè)計時采用了大量的冗余設(shè)計?；趯︼L電機組保護的設(shè)計理念為：當風電機組箱變的負載線路出現(xiàn)過載或嚴重對地短路時，需要箱變低壓側(cè)斷路器自動跳閘斷電，以保護風電機組塔筒內(nèi)的相關(guān)動力電纜及變頻器等；當發(fā)電機及定子線路發(fā)生故障時，變頻器應(yīng)及時停機、脫網(wǎng)，以保障自身安全，并保護發(fā)電機及定子、轉(zhuǎn)子電纜等不因故障損毀[1]。箱變跳閘通常屬于冗余保護，也是保證風電機組安全的最后一道防線。

2 發(fā)電機定子導電軌接線箱故障分析

2.1 事故狀況及主控、變頻器所報的故障

某風電場的某1臺風電機組在滿負荷發(fā)電時，瞬時負荷為1526.86 kW，激活了主控的低電壓穿越程序，主控報“穿越電網(wǎng)故障”，同時還報出“電網(wǎng)相欠壓”“電網(wǎng)電壓下降”，導致箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，風電機組失電停機。

箱變低壓側(cè)斷路器合閘后，風電機組送電，但多次復位啟機，主控均報“變頻器故障”。打開變頻器并網(wǎng)柜發(fā)現(xiàn)，變頻器定子接觸器的L3相已出現(xiàn)粘連。為進一步查明出現(xiàn)粘連及箱變低壓側(cè)斷路器跳閘的原因，工作人員登塔進行檢查，發(fā)現(xiàn)U型電纜中的1根定子電纜的絕緣膠皮已全部熔化，與故障電纜靠近的其他電纜的絕緣膠皮也發(fā)生了不同程度的熔化，現(xiàn)場狀況如圖1所示。

圖1 U型電纜中1根定子電纜的絕緣膠皮熔化狀況Fig. 1 Melting condition of insulation rubber of one stator cable in U-type cable

在第3節(jié)(從下到上)塔筒平臺上方，靠近定子導電軌接線箱的塔筒馬鞍處，故障電纜絕緣膠皮的熔化更為嚴重，并一直延伸至定子導電軌接線箱內(nèi)。在定子導電軌接線箱內(nèi)，L3相最右邊的定子電纜為故障電纜，在靠近接線銅排處，電纜的絕緣膠皮部分已受熱碳化。L3相接線銅排(即定子導電軌接線箱最上邊的銅排)與定子導電軌用4個連接螺栓進行連接，左邊2個連接螺栓的螺帽已部分燒熔，如圖2所示。擰開L3相接線銅排與定子導電軌之間進行固定連接的連接螺栓，發(fā)現(xiàn)L3相接線銅排已完全斷裂，斷裂位置位于接線銅排上螺帽已部分燒熔的這2個連接螺栓孔的中心位置。定子導電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排的狀況如圖3所示。

圖2 L3相接線銅排與定子導電軌間的連接螺栓 被燒熔的局部圖Fig. 2 Partial photo of connection bolt fused between L3 phase connection copper bar and stator conductor rail

在本次故障發(fā)生之前，風電機組主控報“變頻器故障”且風電機組停機的次數(shù)很多。近5個月之內(nèi)，主控報“變頻器故障”且風電機組停機的次數(shù)多達65次；在本次故障發(fā)生前一天，主控報“變頻器故障”且風電機組停機的狀況更為頻繁，達12次，其中，在“無風停機”較頻繁時段，1 h之內(nèi)觸發(fā)了4次主控報“變頻器故障”且風電機組停機。再查看變頻器內(nèi)部的報故障記錄，均是“變頻器過流”，故障時直接導致變頻器斷路器斷開，發(fā)生風電機組脫網(wǎng)事故。

圖3 定子導電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排的狀況Fig. 3 Condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

2.2 故障現(xiàn)象及分析

風電機組機頭、機艙需隨風向進行對風偏航，機艙與塔筒所有輸電電纜和控制電纜均采用U型電纜。因此，雙饋風電機組發(fā)電機定子導電軌接線箱到第3節(jié)塔筒上的定子導電軌接線箱的電力輸出也是通過U型電纜進行連接。

發(fā)電機定子在U型電纜處三相的每一相均由4根185 mm2型號電纜組成，首先固定在定子導電軌接線箱內(nèi)的三相接線銅排上，然后定子電纜經(jīng)機艙，沿塔筒中間的電纜導向孔，再穿過第3節(jié)塔筒平臺中心的腰形孔，下至該平臺下2.5 m處，然后從第3節(jié)塔筒平臺側(cè)邊的腰形孔拽起，從第3節(jié)塔筒平臺上的塔筒馬鞍上面繞過，用鋼扎帶將定子電纜在塔筒馬鞍上固定后，最后接到定子導電軌接線箱的接線銅排上；定子導電軌接線箱的下端直接與塔筒內(nèi)的定子導電軌連接。

發(fā)電機定子電纜的每一相的電流均由4根電纜分擔。通常情況下，4根185 mm2型號電纜分別承載的電流大小基本相同。每根定子電纜分別由1個連接螺栓固定在定子導電軌接線箱的接線銅排上。故障風電機組定子導電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排斷裂，斷裂處位于連接接線銅排與定子導電軌的4個連接螺栓中左邊2個連接螺栓孔的中心位置，狀況示意圖如圖4所示。

圖4 定子導電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排斷裂狀況示意圖Fig. 4 Schematic diagram of fracture condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

定子導電軌接線箱L3相接線銅排的兩端均由絕緣支撐座固定，而故障風電機組的定子導電軌接線箱L3相接線銅排左邊的絕緣支撐座因故不能完全固定接線銅排左端，使接線銅排左邊和3根電纜處于相對自由狀態(tài)；另外，由于電纜安裝在第3節(jié)塔筒上方，當塔筒劇烈搖晃時，接線銅排左端與定子電纜有微小的振動和前后搖擺的位移。從接線銅排的受力分析可知，其應(yīng)力集中點(即危險點)位于接線銅排與定子導電軌連接的4個連接螺栓中左邊2個連接螺栓孔的中心位置。經(jīng)過時間的積累，接線銅排的危險點就出現(xiàn)了疲勞斷裂，并且隨著時間的推移與塔筒的搖晃和振動進一步加劇，導致接線銅排裂紋的距離不斷加大，L3相接線銅排左端的導電能力隨之降低。

在25 ℃的環(huán)境溫度下，單根185 mm2型號電纜的最大承載電流為430 A。在風電機組滿負荷時，發(fā)電機輸出定子電流約為1000～1100 A；4根185 mm2型號電纜的平均承載電流約為260 A。由于接線銅排斷裂處位于其與導電軌連接處左邊2個連接螺栓孔的中心位置，這意味著左邊3根185 mm2型號電纜的電流無法正常導電到導電軌，只剩下故障接線銅排右邊的1根185 mm2型號電纜能夠正常導電。

在接線銅排斷裂初期，故障引發(fā)的影響并未立即擴大，甚至對風電機組正常并網(wǎng)發(fā)電的影響不大。這是因為：一方面，在低風速時，風電機組的發(fā)電功率低，定子電流小，甚至小于單根185 mm2型號電纜的承載電流，此時，接線銅排斷裂并不會影響風電機組正常發(fā)電；另一方面，當接線銅排斷裂部位通過的電流過大，超過其承載電流時，接線銅排斷裂處會因發(fā)熱而使電阻增大，接觸面還會因發(fā)熱而發(fā)生進一步氧化，致使發(fā)熱進一步加劇，接線銅排導電能力減弱，單根185 mm2型號電纜承載的電流過大，導致接線銅排斷裂處和連接螺栓燒熔、電纜絕緣膠皮熔化和碳化，甚至還會出現(xiàn)導電打火的現(xiàn)象。因故障風電機組變頻器的保護設(shè)計非常完善，當接線銅排斷裂處出現(xiàn)導電打火時，會引發(fā)變頻器報“過流”，風電機組停機，直接導致變頻器斷路器瞬間斷開，主控報“變頻器故障”，從而使風電機組和變頻器得到保護。而風電機組停機后，本應(yīng)根據(jù)故障信息進行修理，但是此故障并未引起現(xiàn)場維修人員的注意。

雖然在上述情況下風電機組存在故障和安全隱患，但此故障中，當風電機組停機后，隨著導電軌接線箱內(nèi)接線銅排斷裂處導電打火的停止，風電機組變頻器故障產(chǎn)生的原因也隨之消除。因此，在主控報“變頻器故障”且風電機組停機后，風電機組又能順利復位并網(wǎng)。

在未消除故障的前提下，風電機組不斷地并網(wǎng)、脫網(wǎng)，左邊連接3根185 mm2型號電纜的接線銅排輸入端電阻持續(xù)增大，導電能力不斷減弱；接線銅排右邊的1根電纜所需承載的電流也不斷增大，當該電流遠超過電纜的承載能力時，電纜大量發(fā)熱使絕緣膠皮發(fā)生熔化。在塔筒馬鞍處的定子電纜是用鋼扎帶固定的，在最后一次故障發(fā)生時，風電機組正處于滿負荷發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電功率達1526.86 kW；此時在電纜重力作用下，熔化膠皮被壓到一邊，定子電纜失去絕緣層的保護，導致定子電纜與鋼扎帶對地形成短路，最終造成變頻器定子接觸器L3相粘連，箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，觸發(fā)了主控報“電網(wǎng)相欠壓”“電網(wǎng)電壓下降”的電網(wǎng)故障，風電機組停機。

3 經(jīng)驗總結(jié)

經(jīng)過上文分析，針對本次風電機組故障可以得到以下幾個方面的經(jīng)驗。

1)在風電機組安裝和維護時，應(yīng)加強對定子導電軌接線箱接線銅排兩端絕緣支撐座固定情況的檢查，接線銅排應(yīng)良好地固定在絕緣支撐座上。

2)現(xiàn)場風電機組所報故障應(yīng)尋根究底，不放過任何一個故障線索，以免留下潛在故障，并埋下安全隱患。從變頻器及主控的記錄可知：該風電機組在本故障發(fā)生前的近5個月內(nèi)，主控報“變頻器故障”達65次之多。大多是由定子導電軌接線箱內(nèi)打火引發(fā)，導致變頻器內(nèi)部報“過流”。但由于現(xiàn)場維修人員未對該故障進行徹查，導致最終出現(xiàn)了定子電纜絕緣膠皮燒熔、箱變低壓側(cè)斷路器跳閘、變頻器定子接觸器粘連這些較為嚴重的故障。所以，需要加強風電場的現(xiàn)場管理，提高現(xiàn)場運維人員的技術(shù)水平，在現(xiàn)場處理故障時，不能輕易放過任何一個故障線索，以消除潛在的風電機組故障和安全隱患，增加風電機組運行的穩(wěn)定性。

3)采取有效措施保證箱變和變頻器保護功能順利執(zhí)行。在風電機組運行中，可能會出現(xiàn)定子、轉(zhuǎn)子電纜打火，定子、轉(zhuǎn)子電纜對地或相間短路等問題，需要變頻器斷路器及時斷開、箱變跳閘，以保證風電機組及變頻器的安全。在本次事故中，當定子導電軌接線箱出現(xiàn)打火故障時，變頻器能及時停機來保證風電機組安全；當定子電纜對地短路時，箱變和變頻器斷路器迅速跳閘，保護了風電機組及變頻器的安全，也充分說明了箱變和變頻器保護對風電機組安全運行的重要意義[4]。

為充分發(fā)揮箱變及變頻器的保護作用，保證風電機組及變頻器的安全，需做好以下幾個方面的工作。①需保證變頻器的采購質(zhì)量和保護功能的完善，避免重大事故的發(fā)生。②為了保證箱變在必要時能自動分閘，應(yīng)對其進行定期維護。箱變定期維護應(yīng)包括：低壓側(cè)斷路器的參數(shù)設(shè)置檢查和自動分閘功能測試；高壓側(cè)熔斷器的安裝及跳閘機構(gòu)的檢查[5]。③保證箱變的低壓側(cè)中性線的良好接地及零序保護[5]；箱變接地線與變頻器平臺接地線、定子接地線和轉(zhuǎn)子接地線在風電機組的接地匯集排上良好接地。

4 結(jié)論

本文對某風電場某1.5 MW雙饋風電機組的定子電纜絕緣膠皮熔化后，定子電纜對地短路引發(fā)變頻器報故障，箱變低壓側(cè)斷路器保護性跳閘，風電機組停機這一故障進行了分析，并給出了預防措施。通過分析可知：現(xiàn)場運維人員判斷風電機組故障和排除潛在故障的能力，直接關(guān)系到風電機組運行的穩(wěn)定性和其利用率的提高，還涉及到風電機組的安全隱患能否順利消除。因此，需要加強風電場的現(xiàn)場管理，提高現(xiàn)場運維人員的技術(shù)水平，使風電機組達到20年，甚至更長時間內(nèi)的平準化度電成本最低。