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系列风电机组事故分析及防范措施(二)——因顺桨控制故障引发的飞车事故

北极星风力发电网  来源:《风能》  作者:高原生 王明军  2017/2/13 12:21:37  我要投稿  

北极星风力发电网讯:国内外都发生过风电机组倒塌、烧毁等重大事故。事故发生后,若能对这些事故进行认真分析、总结,找出事发时的真实原因,并采取有效的预防措施,就能尽量避免类似事故的再次发生。就机组飞车事故而言,其预防措施应建立在准确分析、抓住重点、讲求科学的基础上,并综合考虑各种因素使度电成本最低。下面就具体事例进行阐述和分析。

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三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故

下面事例都是因三支叶片同时不能顺桨而引发的机组失控、飞车事故。事故机组均使用的是电池为后备电源的直流变桨系统,采用的同一厂家生产的同一型号主控。从多年众多同类型机组的维修来看,事故机组的主控、变桨、变频等主要部件的质量较优,未发现轮毂后备电池及其他关键部件存在设计或质量问题。

一、某风电场机组的烧毁、倒塌事故

某风电场监控人员发现,事故机组报发电机超速,在短暂的停机后,机组又再次不明原因迅速启机。事故机组飞车后,机舱全部烧毁,主控数据无法获取。从现场人员及现场勘察了解到,事发时风速约为10m/s,事发后三支叶片都在零度位置,均未顺桨。

因能得到的有用信息较少,事故分析具有一定的困难。然而,在事发过程中却留下了诸如“再次迅速启机”等特殊现象。通过剖析这些现象,并给出合理解释,或许能找到事故发生的确切原因。

二、某风电场的机组飞车事故

某风电场,在中控室发现事故机组通讯中断,到达现场后,叶片已回到92°限位开关位置。上机舱,如图1、图2 所示,主轴刹车片已完全磨损,刹车盘严重磨损,两边均有较深的磨痕,刹车器保护罩已部分烧熔,且严重变形;发电机侧的柔性连接片已经全部脱落,刹车盘与发电机之间的联轴器掉落在机舱;主轴刹车器上方的机舱罩壳隔热层烧灼严重;通讯滑环完全断裂,并脱落在机舱内;发电机已从弹性支撑上严重移位,弹性支撑的固定螺栓绝大部分已经断裂,发电机转子窜动严重。塔基变频器处给机舱提供交流690V 的继电器跳闸。

从主控数据可知: 事发时, 机组的发电功率为1472kW,风速为15.2m/s 时,45min 43s,机组报“变桨通讯故障”,刹车程序BP180 脱网;45min 46s,三支桨叶同时报“变桨速度慢”,刹车程序BP190,主轴刹车器制动。同时,还报出了“极限阵风”“变频器超速”;45min 53s 报 “发电机软件超速”“齿轮箱软件超速”;45min 56s 报“转子软件超速”;46min 02s,报由硬件控制的“发电机刹车200超速”、软件参数控制的“齿轮箱刹车200 超速”、安全链断开;46min 04s,报由软件参数控制的“转子刹车200 超速”和“叶片不能回到限位开关”(Mita 状态码1159)故障;46min 16s,报“刹车200 停机执行时间过长”; 46min39s,机组报“电网掉电故障”。事发时,机组高速轴的最高转速为2971rpm。

由于机组在事发时没有烧毁、倒塌,给事故分析留下了不少有价值的信息和证据:在机舱控制柜检查发现,旁路限位开关回路被改线,强行提供24V 直流(注:紧急顺桨控制线路被修改了),飞车过程中又报出了“叶片不能回到限位开关(1159)”故障,这两者之间相互应征,证明在事发前就埋下了安全隐患;事发时没有报“变桨自主运行”;因通讯滑环从基座处完全断裂,即:轮毂的交流400V 供电、机舱与轮毂的所有通信与控制接线全部断裂。

三、某风电场的机组倒塌事故

据目击者称:“事发时,事故机组叶轮转速比相邻机组快很多,且有异响,维持了大约十几分钟,然后,突然从第二节塔筒中下部折断倒塌。在机组倒塌过程中,伴随有火光及冒烟,马上又灭了”。从邻近机组了解到,事发时的风速不大,约为8 m/s - 9m/s。

现场勘察发现,三支叶片均在零度位置,没有顺桨。主轴刹车上方机舱内壁的保温层有烧灼痕迹,主控模块严重损坏,内部电池脱落、数据丢失;从变频器上的数据可知,事发时机组的最高转速为2406rpm。

原因分析

首先,在我国的风电发展初期,不少厂家的生产技术都是从国外引进,在没有来得及完全转化和吸收的情况下,就投入了大规模生产。不少的技术关键点仍未掌握,多个事故已经发生。其次,不少风电企业是从其他行业迅速转向,其管理理念和体制却未能及时转变。再者,我国风电企业的研发、技术人员实践经验不足,现场人员的经验和技术水平有待提高。因此,事发之前,机组的安全隐患未能及时发现和排除;事发之后,未能找出真实原因造成同类事故的多次发生。

一、采用电池作备用电源的直流变桨系统的安全性高

直流变桨系统,在紧急(电池)顺桨时,无需把备用电源的能量经过轮毂驱动器逆变成交流,只需通过继电器吸合直接将备用电源切换到直流电机,没有逆变环节,顺桨安全性增加。这种紧急顺桨方式是交流变桨系统所不具备的。

在该直流变桨系统的轮毂驱动器上,接有直流和交流400V 两种供电电源。当交流400V 供电正常时,由交流供电。在出现瞬间电网故障,机组进入低电压穿越需进行正常调桨;或外界断电,需通过轮毂驱动器上的直流供电进行停机顺桨时,均利用轮毂驱动器上的备用直流电源。

当机组因故不能切换到正常的备用直流电源顺桨,在紧急顺桨时,如轮毂控制器与主控之间的通讯正常,可通过主控再发指令使叶片回到90°;如主控与轮毂控制器的通讯再次出现故障,机组转速超过一定数值,触发硬件超速模块动作,超速信号传给轮毂控制器,由轮毂控制器控制使三支叶片按照规定的顺桨速度回90°。

有的直流变桨系统(第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”的事例二中机组采用的变桨系统),还有轮毂驱动器的电池顺桨。即:机组因故不能切换到正常紧急顺桨回路时,当轮毂驱动器上的400V 交流供电的电压过低或断开时,在轮毂驱动器内直接把电池与轮毂电机导通,实现轮毂驱动器的电池顺桨,叶片回到92°限位开关位置。这也是交流变桨系统所不具备的。

以上分析可知,直流变桨系统出现三支桨叶同时不能顺桨的概率极低。

二、飞车、倒塌及烧毁实例分析

第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”中, 事例二不仅事发时的主控数据完善,而且还找到了事发的直接证据;事例一和事例三因主控数据丢失,机组烧毁、倒塌,只能通过同类机组的长期维修经验及与观察事发时的特殊现象,判断事故发生原因。事故时与事例二存在相同的情况——三支叶片同时不能顺桨。

综合考虑机组运行原理和各种现象,三起事故的共同特点如下:首先,事故机组的电池顺桨控制回路,或旁路限位开关回路存在被强行供电的安全隐患,在机组执行高级别刹车程序时,不能切换到正常的电池顺桨回路。其次,事发时,机组出现“变桨通讯故障”,主控与轮毂变桨因此失去联系,不能通过主控指令使叶片回到90°位置。再次,机组超速时,均未能执行“变桨自主运行”程序,又再次失去顺桨的机会。因此,机组在风速较大时顺利地闯过了所有保护设置,造成三支桨叶同时不能顺桨,最终造成事故发生。

第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”中,三个事例发生的简略过程分别如下:

事例一中的机组报“变桨通讯故障”后,刹车程序BP180,由机舱、主控控制的交直流供电顺桨方式均不能执行,其后,机组再报“变桨速度太慢”,刹车程序BP190,主轴刹车器参与制动,并在30s 之后刹车器自动松开。该机组使用的是被动式刹车器,制动力为两倍满负荷扭矩,因此,在机组冒烟的同时完全停下来了,此时三支桨叶都在0°位置,当主轴刹车器再次松开,机组迅速启机。由于当时的风速较大,带着巨大的加速度的叶轮转速迅速上升,达到2400rpm硬件超速设定值,主轴刹车器再次制动,此时制动时产生的热量使机组燃烧,产生的巨大翻转扭矩使机组倒塌。

事例二中,机组在45min 43s,报“变桨通讯故障”,刹车程序BP180 脱网,不能顺桨;45min 46s,三支桨叶同时报“变桨速度慢”,刹车程序BP190,主轴刹车器制动。当时风速较大(15.2m/s),加之该机组使用的是主动式刹车器,其制动力仅为事例二倍满负荷扭矩,主轴刹车器已不能使机组停下来。制动力矩使刹车器、刹车盘、刹车器罩壳大面积脱落并砸在通讯滑环上,在主轴刹车器制动期间机组转速还在不断上升,18s 后,即:46min 02s,机组转速升至硬件超速设定值,BP200,最高转速超过2900rpm,机组振动加剧,最终导致通讯滑环完全断裂,电池顺桨到92°限位开关位置。由于飞车的时间及主轴刹车器制动的时间不长,未出现长时间持续高温,避免了机组燃烧。在BP190 主轴刹车器制动18s(小于30s)后就升至BP200,没有出现主轴刹车器松开后又再次制动产生的巨大冲击扭矩,因此,机组并未倒塌。

在事发前,存在旁路限位开关回路被强行提供24V直流的安全隐患;事发时出现“变桨通讯故障”以及未执行“变桨自主运行”程序;事发过程中出现“通讯滑环完全断裂” ,因轮毂400V交流供电断开,执行轮毂驱动器的电池顺桨,或因旁路限位开关回路的强行供电断开,执行正常的直流(紧急)顺桨,叶片顺桨到92°限位开关位置。具体按哪种情况执行,则与线路断开的时间先后有关,如瞬间同时断裂,则应按正常的电池顺桨方式执行。由此可见,对于以上飞车事发时的应急处理方式有:断UPS使机组切换到正常的直流顺桨;断箱变启动轮毂驱动器的电池顺桨。

当出现“变桨通讯故障” 或未执行“变桨自主运行”停机程序,主控均不会报“变桨自主运行”故障。而事故机组因未执行“变桨自主运行”,从而造成了飞车事故的发生。

事例三的机组报“变桨通讯故障”停机脱网,但不能顺桨,再报“变桨速度太慢”主轴刹车器制动,30s 后松开并一直处于打开状态,其后,在长达10 多分钟的时间内,机组处于超速、空转的状态,而转速一直低于2400rpm。当风速增大,转速超过2400rpm,主轴刹车器制动,最高转速也仅升至2406rpm,然而,因机组已长时间超速、摇晃,制动瞬间又产生了巨大的翻转扭矩从而促成机组倒塌。由于主轴刹车器制动的时间很短,仅有冒烟和火花,机组并未烧毁。

预防措施

在机组运维时,应重点检查机组的安全隐患和排除安全性故障。杜绝为追求发电量而不顾机组安全情况的发生。

一、紧急顺桨控制回路故障的产生及处理

从现场的故障处理经验来看,紧急顺桨控制回路故障可能源自:风电机组控制柜、轮毂的生产接线错误;机组运行过程中产生的故障;维修人员不适当的故障处理方式,或维护人员在维护时的错误改线造成机组在紧急顺桨时,叶片不能按正常的电池顺桨回路进行顺桨。

定期在风电场或者通过远程对机组安全系统进行检查,检查机组是否能顺利通过自检,当机组自检报“叶片不能回到限位开关(1159)”故障时,应重点予以排除。

二、主控、变桨控制程序的改进措施

对主控的刹车程序BP190 进行改进。按照该控制器的原设置,执行紧急顺桨的同时辅助以主轴刹车器制动,无论叶片是否回到限位开关位置,执行该刹车程序30s 后,主轴刹车器会无条件地松开。由此,若叶片能顺利回到限位开关位置,及时松开主轴刹车器,有利于保护齿轮箱和机组安全,但是,如果叶片没有回到限位开关位置,则可能危及机组安全。

正如本文的第1 节“三桨叶同时不能顺桨引发的飞车事故”中的的事例一那样,如果把主控程序修改为:只有当叶片到达92°限位开关位置,主轴刹车器才会松开;如叶片没有到达92°限位开关位置,主轴刹车器则不松开,这样事例一中的事故机组就不会出现再次“迅速启机”,机组烧毁、倒塌事故便不会发生。

三例事故的共同点是:在紧急顺桨控制回路和变桨通讯同时出现故障后,因轮毂控制器的“变桨自主运行”顺桨程序执行条件过于苛刻,不能满足。因此,该顺桨停机程序不能执行,从而造成了机组飞车、倒塌和烧毁事故的发生。

因此,需修改、完善轮毂控制器的“变桨自主运行”停机程序。尤其是当出现“变桨通讯故障”后,机组又出现超速时,应确保“变桨自主运行”停机程序的顺利执行。即:把“变桨自主运行”停机程序的“进桨”“顺桨”限制条件进行完善或去除。为确保出现紧急顺桨控制回路和变桨通讯同时故障时的机组安全,可增加轮毂控制器对“变桨通讯”故障的判断。当轮毂控制器判断有变桨通讯故障时,轮毂则执行“变桨自主运行”停机程序,这样,当机组正常时,执行正常的紧急顺桨停机,如紧急顺桨控制回路和变桨通讯同时故障时,能通过执行“变桨自主运行”停机程序使机组顺桨,冗余保证机组安全运行。

结语

为减少机组故障,避免重大事故的再次发生,应充分理解、消化和吸收国内外先进的风电技术,结合国内风电机组生产、运行的状况,建立良好的风电场管理体制,提高现场人员的技术水平及机组维护和维修质量,定期重点检查事故多发的关键部位,让消除安全隐患落到实处。

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