國能云南新能源有限公司 普聿銘

在高原地區(qū)且氣候潮濕的風電場，采用狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性維護策略開展風電機組偏航扭纜開關(guān)的維護工作，能夠提前發(fā)現(xiàn)和處理偏航扭纜開關(guān)存在的隱患和缺陷，可提高偏航扭纜開關(guān)的可靠性，對確保風電機組安全性和可靠性有重要意義。本文以某風電場為例，對采用狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性維護策略維護風電機組偏航扭纜開關(guān)進行研究。

1 偏航扭纜開關(guān)在安全鏈中的作用

1.1 安全鏈的定義與作用

安全鏈是風力發(fā)電機組中的重要保護系統(tǒng)，其是確保風機在各種情況下都能安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵措施[1]。安全鏈的定義可以概括為：一種通過串聯(lián)多個可能對風力發(fā)電機組造成嚴重損害的故障節(jié)點，以實現(xiàn)機組故障時的緊急停機保護的系統(tǒng)，安全鏈的各個節(jié)點共同構(gòu)成了風機的安全防線。安全鏈能夠?qū)崟r監(jiān)測風機的運行狀態(tài)，一旦檢測到可能危及機組安全的故障或狀態(tài)，如風力發(fā)電機組超速、振動超限、變槳安全鏈斷開、變流器安全鏈斷開、偏航安全鏈斷開、PLC急停等，安全鏈會立即觸發(fā)緊急停機程序，使機組迅速脫網(wǎng)并停止運行，避免故障進一步擴大，保證機組的安全。

1.2 偏航扭纜開關(guān)在安全鏈中的作用

偏航扭纜開關(guān)的主要功能是在風電機組運行過程中，監(jiān)測機組的偏航位置和電纜的扭轉(zhuǎn)程度。當機組偏航到一定角度使電纜扭轉(zhuǎn)超過設(shè)定值時，偏航扭纜開關(guān)會觸發(fā)安全鏈動作，使機組緊急停機，避免電纜過度扭轉(zhuǎn)造成損傷。在風電場的實際運行中，由于風向的不確定性和機組偏航系統(tǒng)的誤差，機組有時會發(fā)生偏航不到位或過度偏航的情況。此時，如果沒有偏航扭纜開關(guān)的保護作用，電纜可能會因過度扭轉(zhuǎn)使電纜絕緣受損，造成接地或短路，進而引發(fā)嚴重的設(shè)備故障和安全事故。而有了偏航扭纜開關(guān)的保護，一旦風機偏航角度超過設(shè)定值時，偏航扭纜開關(guān)內(nèi)的偏航安全鏈觸點會動作，斷開偏航安全鏈，使機組停機并鎖定偏航系統(tǒng)，避免事故的發(fā)生。

2 UP2000-121S型風機扭纜開關(guān)整定方法及定值選擇

某風電場UP2000-121S型風電機組屬于灑谷風電場的一期工程，位于云南省羅平縣馬街鎮(zhèn)西側(cè)的臺地與上臘戈村以北的山脊之上，一期工程風電機組的海拔在2200m至2450m之間。風電場采用UP2000-121S型風電機組，其扭纜開關(guān)整定方法及定值選擇如下。

2.1 UP2000-121S型風機的基本參數(shù)與特點

UP2000-121S風電機組的額定功率為2000kW，掃風面積在同類型機組中較大，這使得其在低風速區(qū)域具有更高的發(fā)電效率。該機組在年平均風速為5m/s的條件下，年等效利用小時數(shù)可達2000h，表現(xiàn)出良好的發(fā)電性能和經(jīng)濟可靠性[2]。UP2000-121S型風機采用了平臺化設(shè)計和整機葉片集成一體化設(shè)計，通過應(yīng)用最優(yōu)能量捕獲技術(shù)和降載控制技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，進一步提高機組的發(fā)電效率。UP2000-121S風電機組已經(jīng)完成了批量安裝，并通過了中國船級社產(chǎn)品型式認證，證明了其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

2.2 偏航扭纜開關(guān)整定方法的選擇與實施

偏航扭纜開關(guān)能夠監(jiān)測機組偏航時的電纜扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，并在必要時觸發(fā)安全保護動作。在選擇偏航扭纜開關(guān)整定方法時，應(yīng)首先考慮整定的準確性，使用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)扭纜開關(guān)數(shù)圈數(shù)的方法，存在一定誤差，而通過觀察扭纜開關(guān)的編碼器，在風機監(jiān)控上的度數(shù)顯示相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)扭纜開關(guān)，不僅可以精確地對扭纜開關(guān)進行整定，也能同時驗證扭纜開關(guān)的左、右偏航極限位置，以及左、右偏航安全鏈位置的設(shè)置是否發(fā)生了偏移，同時還能檢測偏航安全鏈回路和信號是否正確。

2.3 偏航極限位置定值和偏航安全鏈位置定值的選擇

對于UP2000-121S型風機，在進行偏航極限位置角度定值和偏航安全鏈位置角度定值選擇時，第一應(yīng)能保證風電機組機艙偏航到該角度位置時，通過偏航平臺的電纜不發(fā)生因扭轉(zhuǎn)受損的情況，與通過偏航平臺至塔筒的電纜裕量相匹配，而且還應(yīng)留有足夠的安全余量；第二應(yīng)確保風電機組能順利地在360°范圍內(nèi)捕獲風能；第三能成功地避開風電機組自動解纜設(shè)定的角度，且偏航極限位置角度定值和偏航安全鏈位置角度定值的數(shù)值不能過分接近，即｜自動解纜角度定值｜<｜偏航極限位置角度定值｜<｜偏航安全鏈位置角度定值｜?；谶@三點考慮，某風電場的UP2000-121S型風電機組的偏航極限位置角度定值=±680°，偏航安全鏈位置角度定值=±720°。從2020年5月，風電場的UP2000-121S型風電機組投產(chǎn)至今的運行情況表明，偏航極限位置角度定值和偏航安全鏈位置角度定值的選擇合理，能滿足機組安全穩(wěn)定運行。

3 某風電場UP2000-121S型風電機組偏航安全鏈故障的檢測與處理

3.1 主控PLC對偏航安全鏈故障的檢測過程

從圖1中可以看出，當UP2000-121S型風電機組扭纜開關(guān)的左（右）偏航安全鏈觸點斷開時，輸入到安全繼電器456A2的I8（I9）口的24VDC信號中斷，緊接著安全繼電器456A2的O2口中斷對偏航系統(tǒng)335K2接觸器線圈的24VDC供電輸出，從而阻斷對控制左（右）偏航的接觸器334K1（334K2）線圈的供電，使風電機組不能偏航，與此同時安全繼電器456A2的O0口和O1口也中斷24VDC供電輸出，其中O0口中斷對變槳安全鏈系統(tǒng)接觸器335K1線圈的24VDC供電輸出，斷開變槳安全鏈；O1口中斷對變流器安全鏈系統(tǒng)接觸器15K6線圈的24VDC供電輸出，斷開變流器安全鏈。

圖1 UP2000-121S機組偏航安全鏈原理圖

但為了現(xiàn)場人員更方便地了解是左偏航安全鏈故障還是右偏航安全鏈故障，在安全繼電器456A2的擴展模塊456A7上，對應(yīng)左偏航安全鏈故障的OA5口中斷至主控系統(tǒng)DIO248模塊3通道的24VDC輸出，或?qū)?yīng)右偏航安全鏈故障的OA6口中斷至主控系統(tǒng)DIO248模塊4通道的24VDC輸出，使風機主控報出“左偏航安全鏈故障”或“右偏航安全鏈故障”，同時擴展模塊456A7上OA8口也中斷對主控系統(tǒng)DIO248模塊8通道的24VDC輸出，使主控PLC報出偏航層級安全鏈故障。

3.2 扭纜開關(guān)的測試

在2022年8月6日開展的某風電場SG20號風機（機型為UP2000-121S）年度維護過程中，現(xiàn)場工作人員對SG20號風機的扭纜開關(guān)進行了測試，主控PLC對偏航安全鏈故障檢測的報文信息見某風電場SG20號風機偏航安全鏈測試記錄表。從該表中可以看出SG20號風機偏航扭纜開關(guān)整定正確，主控PLC可以根據(jù)偏航扭纜開關(guān)和安全繼電器的反饋，準確地檢測偏航安全鏈故障，符合廠家的設(shè)計要求。測試結(jié)果詳見表1。

表1 SG20號風機偏航安全鏈測試記錄表

3.3 偏航安全鏈故障或異常的檢查處理策略

UP2000-121S型風電機組發(fā)生偏航安全鏈故障后，應(yīng)按照如下步驟進行檢查處理：檢查確認安全繼電器456A2及其擴展模塊456A7是否正常；檢查確認偏航編碼器及其信號輸入模塊ISI222是否正常，該步驟應(yīng)結(jié)合偏航位置角度的數(shù)據(jù)分析進行；檢查確認DIO248模塊是否正常；檢查確認偏航扭纜開關(guān)的24VDC供電是否正常；檢查確認偏航扭纜開關(guān)的整定和機械轉(zhuǎn)動是否正常。在根據(jù)以上步驟的檢查情況消除偏航安全鏈故障后，還應(yīng)檢查偏航平臺的電纜及其保護套是否受損，若有受損情況，必須嚴格按照廠家要求進行處理。

4 某風電場UP2000-121S型風機扭纜開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)防性維護的實施

4.1 某風電場的氣候特點及對扭纜開關(guān)的影響

某風電場屬于高原季風氣候，夏季受暖濕氣流影響，多大雨；冬季受昆明靜止鋒控制，常陰雨連綿，全年的濕度較大，這就使得風電機組的運行環(huán)境較差，并且風電機組在運行過程中會發(fā)生搖晃和振動，扭纜開關(guān)在這種環(huán)境中的可靠性也會受到影響，整定的角度值也會發(fā)生偏移[3]。

4.2 狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)防性維護的實施

在傳統(tǒng)運維模式中，風電機組的偏航扭纜開關(guān)等安全鏈組件主要通過定期巡檢來確保其正常運行。一旦發(fā)現(xiàn)故障，維修人員會進行故障后維修，更換損壞的部件以恢復(fù)機組的正常運行。這種策略的優(yōu)點是實施簡單易行。然而，其缺點也較為明顯：一是無法及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生；二是維修成本較高，因為需要更換損壞的部件；三是機組的運行效率和安全性受到較大影響。

因此，在2022年某風電場根據(jù)現(xiàn)場實際采用了狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性維護策略，來確保一期UP2000-121S型風機扭纜開關(guān)能夠保持良好狀態(tài)，其中通過定期分析UP2000-121S型風電機組的偏航歷史數(shù)據(jù)、歷史故障信息來實現(xiàn)狀態(tài)檢測；預(yù)防性維護則是根據(jù)狀態(tài)檢測的結(jié)果，在發(fā)生不可復(fù)位停機前，選擇小風（通常風速＜4m/s）時段對扭纜開關(guān)進行檢查，并及時更換有缺陷的偏航扭纜開關(guān)，盡可能減少停機造成的電量損失；在風機年度維護階段，則是開展UP2000-121S型風電機組的偏航扭纜開關(guān)測試，做到對缺陷和隱患提早發(fā)現(xiàn)和消除。

5 效果和結(jié)論

效果：某風電場在2022年通過采用狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性維護策略，開展了對UP2000-121S型風電機組的偏航扭纜開關(guān)的維護工作，及時發(fā)現(xiàn)并消除了偏航扭纜開關(guān)存在的隱患和缺陷，從2022年9月1日至2023年12月31日結(jié)束，某風電場的UP2000-121S型風電機組，未發(fā)生過因偏航扭纜開關(guān)有缺陷引發(fā)的故障停機，而在2021年1月至2022年4月，風電場發(fā)生了12次因偏航扭纜開關(guān)存在缺陷引發(fā)的故障。

結(jié)論：某風電場根據(jù)現(xiàn)場實際，采用狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性維護策略，來使UP2000-121S型風電機組偏航扭纜開關(guān)保持良好狀態(tài)的工作取得了預(yù)期效果，提高了偏航扭纜開關(guān)的可靠性，對確保風電機組安全性和可靠性有重要意義。