風電機組重大事故分析（三）

文 | 王明軍，邵勤豐

風電機組重大事故分析（三）

文 | 王明軍，邵勤豐

據英國風能機構的不完全統計，截至2009年12月31日，全球共發生風電機組重大事故715起，其中火災事故138起，占總數的19.3%，位列第二位。2010年歐美等國新增火災事故7起，其中2起火災對作業工人造成了嚴重燒傷。因此，火災已成為繼雷擊后第二大毀滅性風電機組災害。2006年中國臺灣燒毀了2臺2MW的風電機組。在最近一期的《火災科學》雜志上，來自倫敦帝國理工學院、愛丁堡大學和瑞典SP技術研究院的幾位研究人員聯合發表了他們的研究成果。在對全球20萬臺風電機組進行了評估之后，這個研究小組認為，風電機組發電機的火災發生率比業內普遍認為的幾率高出10倍。當前，公開報道的全球風電機組火災發生率平均為每年11.7起，而研究人員認為，每年至少有超過117起風電機組著火事故發生。

風電機組火災事故中國有，國外也有。有些重大事故可以預防，甚至完全可以避免。然而，在降低和避免重大事故發生的同時，我們不僅要講求科學，還需要綜合考慮成本因素，不能不計成本地采取過度的預防措施，把概率極低的事件當成必然事件加以考慮，將不利于機組度電成本的降低。

僅就預防、避免機組燒毀與倒塌事故而言，它不僅與機組本身的設計、質量、運行和維護有關，而且，還與箱變等其他設施有著密切的關系，本文介紹一起因變槳故障造成主軸剎車器長時間持續制動，摩擦起火，最終導致機組完全燒毀。通過對該事故的分析，找出行之有效的預防措施，避免類似事故的再次發生。

事故簡介

某風電場一兆瓦級雙饋空冷液壓變槳風電機組，該液壓變槳系統由一個油動機控制三支槳葉。

事故發生時，離機組較近的人員發現高速旋轉的風電機組出現了冒煙、起火。事發時風速很大，機組旋轉速度相當高，先是機艙出現了冒煙，在出現火苗以后，葉輪轉速有所降低，但是，其旋轉速度也比平時快。當機艙出現爆炸聲后，機組的旋轉速度降了下來，當天晚上葉輪還在低速旋轉。

圖1 機組著火之前的齒輪箱濾油器與油泵電機（ABB）狀況

圖2 機組著火后的齒輪箱濾油器及主軸剎車器狀況

圖3 事故后的齒輪箱油泵電機機殼狀況

圖4 事故后掉落在地上的齒輪箱油泵電機定子狀況

事故勘測

一、機組維修中發現的問題

在事故前的一次維修中，拆卸液壓變槳系統油動機時，現場人員發現：該機組變槳系統油動機內部的密封圈磨損嚴重，且缸體內壁有雜質附著；拆卸油動機集成塊上的電磁閥時還發現，其中有兩個電磁閥上的O型密封圈丟失，在此油動機集成上共有5個電磁閥，其中兩個是緊急順槳電磁閥。

二、現場勘測

（一）齒輪箱油泵電機及濾油器

比較圖1與圖2，可以看出齒輪箱濾油器和齒輪箱油泵電機的外側正對剎車盤。事故之后已經看不到齒輪箱油泵電機，齒輪箱濾油器右側融化嚴重，下部完全脫落。

如圖3所示，齒輪箱油泵電機的外側完全融化，靠近主軸剎車器的齒輪箱油泵電機外殼已經融化，并且，油泵電機鐵皮的罩殼被融化后，已不見蹤跡；圖4是齒輪箱潤滑油泵電機的定子線圈，定子銅線圈嚴重變形，部分已經融化，在油泵電機外殼融化后，因重力的作用，電機的定、轉子全部掉落到地上，而機艙上的變槳油動機液壓站的電機和變槳系統油動機液壓油冷卻系統的風扇電機因沒有正對主軸剎車器，事故后這兩個電機的任何部位均未見燒熔的痕跡。

（二）主軸剎車器、剎車器罩殼以及主軸剎車盤

該機組使用的是主動式剎車器，如圖5所示，主軸剎車器安裝在齒輪箱高速軸正上方。主動式剎車器，又叫常開式剎車器，主軸液壓站上的電磁閥得電，給主軸剎車器供油，剎車器剎車；電磁閥失電，主軸剎車器卸油、失壓，主軸剎車器上的彈簧使剎車器松開。

安裝在齒輪箱上剎車盤如圖5所示，事故機組主軸剎車盤的兩側都磨損了3－5mm，從圖中可以看出剎車盤邊緣出現了較深的飛邊，從剎車盤的顏色還可以看出，在主軸剎車制動時，剎車盤的溫度很高，磨損嚴重。

剎車盤與剎車器之間的間隙狀況，如圖6、圖7所示。圖中可以看出，機組燒毀之后，剎車片與剎車盤之間的距離很小，在剎車器的右側有融化沉積物，左側剎車片的剎車材料部分全部磨損，右側的剎車片只有中部還有部分剎車材料。

剎車片由兩部分組成，有8mm的剎車材料和12mm的鐵基組成，正常情況下，當剎車片磨損3mm就會報警更換剎車片；此次事故中兩邊剎車片磨損相當嚴重，基本把16mm的剎車材料全部磨損消耗掉了，左側的剎車片鐵基部分已經嚴重變形。

如圖8所示，整個主軸剎車器罩殼除了固定端還有部分金屬殘留物外，其余部分全部融化。

（三）監控數據記錄

1、機組報警記錄

機組在事故之前正常并網發電，6分01秒報“變槳機械故障”，機組不能正常順槳，風速較大，轉速繼續上升；6分02秒超過陣風設置值1890rpm，有“陣風”報警，沒能按主控指令順槳，轉速繼續上升；6分04秒報 “齒輪箱超速”；6分05秒同時報出的故障有：“變頻器報超速”、“變頻器正常信號出錯”、“發電機超速”、“低速軸超速”、“變槳速度太慢（報此故障，主控要求緊急順槳，并主軸剎車器參與制動）”，機組脫網，主控發出指令要求主軸剎車器參與制動。

機組脫網甩負荷，轉速迅速上升，6分06秒機組報“齒輪超速緊停”、“齒輪箱超速卡緊停”、“安全鏈斷開緊停”；報“低速軸超速緊停”、“低速軸超速卡緊停”。

機組三支槳葉同時不能順槳，主軸剎車器長時間參與制動，剎車片迅速磨損，在6分30秒報“剎車盤磨損”；主軸剎車制動產生的劇烈火花把齒輪箱油泵電機燒壞，或把齒輪箱油管燒爆漏油，6分37秒機組報“齒輪油壓過低”。

2、機組的功率和風速數據

從主控所記錄的數據來看，事故機組在6分05秒脫網時的瞬時功率接近或超過滿發狀態。

5分30秒至6分00秒的30秒平均風速為11.97m/s；6分00秒至6分30秒的30秒平均風速為12.77 m/s；6 分30秒至7分00秒的30秒平均風速為11.38 m/s；7分00秒至7分30秒的30秒平均風速為10.48 m/s；因傳感器或線路燒毀，其后不再有風速數據。

從風速數據來看，機組在事發時平均風速在10 m/s以上。

3、機組事故時轉速數據

6分01秒報故障停機之前，機組一直處于正常發電狀態，在6分00秒瞬時轉速為1831rpm，6分02秒觸發“陣風”報警，陣風轉速設定值為1890rpm。

主控在6分05秒發出指令主軸剎車器參與制動，6分30秒瞬時轉速為2501rpm，在7分00秒，其瞬時轉速仍然高達2869rpm。由此可見，在主軸剎車器參與制動后的初期，高速軸轉速不僅沒有降低，而且還在上升。

圖5 剎車盤與主軸剎車器

圖6 主軸剎車器間左側圖

圖7 主軸剎車器右側間隙

圖8 主軸剎車器及主軸剎車器罩殼狀況

在7分30秒后因主軸剎車器的制動，或變槳系統的油動機油管破裂后，因總油壓降低部分順槳等因素，機組轉速不斷下降：

7分30秒的瞬時速度為2147rpm，在30秒內高速軸速度降低722rpm；

8分00秒的瞬時轉速為1873rpm，在30秒內高速軸速度降低274rpm；

8分30秒的瞬時轉速為1602rpm，在30秒內高速軸速度降低271rpm；

9分00秒的瞬時速度為1543rpm，在30秒內高速軸速度降低59rpm；

9分30秒的瞬時速度為1426rpm，在30秒內高速軸速度降低117rpm；

10分00秒的瞬時速度為1303rpm，在30秒內高速軸速度降低123rpm。

其后，由于火勢的蔓延，傳感器、線路或主控等部件燒毀，監控不再有機組的轉速數據記錄。

在6分05秒發出主軸剎車指令到10分00秒的3 分55秒內，風速較高，高速軸轉速下降到10分00秒的1303rpm，說明在這一段時間內高速軸一直處于制動狀態，且制動力矩很大。

事故原因分析

在風速較高時，并網機組因液壓變槳系統的比例閥和緊急收槳電磁閥堵塞、卡死出現變槳故障，造成三支槳葉同時不能順槳；主軸剎車器制動，因長時間地持續摩擦而產生巨大熱量導致機組燒毀。

一、槳葉不能順槳原因分析

該機組采用的是液壓變槳系統，由1臺油動機控制3個槳葉，在吊裝調試運行之后，輪轂變槳故障時有發生。當機組出現 “硬件超速停機”，伴隨報出變槳相關故障，清洗或更換控制槳角變化的比例閥后故障解決。

由故障現象和原理分析，比例閥堵塞與機組報超速停機有必然的聯系，在運行過程中，比例閥堵塞必然會造成三支槳葉不能同時順槳，機組轉速不斷上升，觸發“硬件超速”停機，緊急順槳電磁閥動作，機組順利回槳。

如果比例閥和緊急收槳閥同時卡死，必然造成三支槳葉無法安全順槳。

油動機活塞桿在油缸內運動時，會產生磨損，而油動機腔室的油循環是封閉的，且沒有濾油系統，在循環油中，密封圈或活塞桿磨損產生的雜質層，不能排出，比例閥的間隙又很小，這可能造成比例閥堵塞或卡死；另一方面，在事故前的一次維修過程中發現，油動機集成塊上電磁閥O型密封圈丟失，缺失的電磁閥密封圈和擋圈可能留在油動機集成塊中，油中雜質和密封圈均可能導致電磁閥通道堵塞、電磁閥卡死。

因此，油動機活塞桿及密封圈磨損不斷地產生雜質，油動機循環油又缺乏過濾裝置，加之電磁閥的密封圈的丟失，埋下了機組飛車的安全隱患。

緊急順槳電磁閥有兩個，分別位于活塞的兩側，一個進油，一個出油。只有兩個同時動作，方能執行緊急順槳；如果有一個緊急順槳電磁閥不能動作，就不能完成正常的緊急順槳。

事故發生時，機組在滿負荷風速以上報了“變槳機械故障”，說明調槳比例閥出現問題，轉速無法進行正常控制，其后又報“陣風”故障、“變槳速度太慢”等故障，6分05秒機組脫網，到7分00秒，瞬時轉速還高達2869rpm，這遠超過觸發緊急順槳的轉速設定值，這說明在事故發生時，不僅比例閥堵塞，而且緊急順槳電磁閥也出現了堵塞、卡死，最終造成油動機不能卸壓，三支槳葉同時不能順槳。

二、機組著火點分析

從主控數據可以看出，主軸剎車器參與高速制動的時間至少在3分鐘以上，6分05秒發出命令，主軸剎車器參與制動，到10分00秒主軸剎車器還處于高速制動狀態；從現場勘測來看，主軸剎車器制動持續產生的熱量和火花，一方面，導致主軸剎車器和剎車盤磨損嚴重，剎車器罩殼、齒輪油泵電機、齒輪箱濾油器等融化；另一方面，還導致齒輪箱油管破裂、變槳油動機液壓站和主軸液壓站的油管破裂液壓油泄漏，進一步加劇了火勢。

事故之后，剎車盤磨損相當嚴重（如圖5），主軸剎車器兩邊的剎車片也嚴重磨損，然而，圖6、圖7所示剎車片與剎車盤之間的間隙并不大。剎車盤和剎車器磨損、主軸剎車器液壓站徹底失壓，加上剎車器彈簧力的作用，剎車盤兩邊的間隙均應該在10mm以上。由此看來，過火后剎車器間隙不大，主要是由于事故時主軸剎車器制動產生巨大的熱量使剎車器的溫度很高，剎車器上彈簧退火所致。

且主軸剎車器油管和液壓站離起火地點較遠，主軸剎車器的油管燒毀較晚，因此，在機組起火的初始階段液壓站給主軸剎車器持續提供壓力，使其一直處于制動狀態，并在主軸剎車器上持續產生火花。在主軸剎車器油管燒爆后，主軸剎車器失去壓力，本應由彈簧力的作用自然松開，但是，此時剎車器彈簧由于剎車器的高溫使其退火，已經失去彈性，不能讓剎車片回到應有的位置。通過以上分析可以推斷，剎車器的發熱相當嚴重，其制動過程中溫升很高。

再者，齒輪箱濾油器外側較內側融化嚴重，濾油器的下部全部融化、脫落；齒輪箱油泵電機罩殼和散熱層的融化，定、轉子脫落，剎車器罩殼大部分融化。由此可見，主軸剎車器制動長時間制動產生的熱量巨大，也是機組燒毀的根源所在；另一方面，從剎車器附近燒毀的器件可以推斷，這種因主軸剎車器長時間、持續地制動而引發的摩擦起火，常規消防滅火裝置容量有限，無法長時間工作而起不到滅火作用。

三、機組燒毀的根本原因

三支槳葉同時不能順槳是機組燒毀的根本原因。事故時，葉輪的三支槳葉同時不能順槳，加大了主軸剎車器的制動力矩，制動時間也大大加長，引起長時間的制動摩擦起火，導致機組燒毀。

主軸剎車器的功用主要是便于機組的維護和維修，同時，在一定的情況下，運行機組故障時對機組安全起作用。如果風速較低或槳葉部分不能順槳時，可以使機組安全停下來，且不會造成事故的擴大。但是，在機組的三支槳葉同時不能順槳的情況下，葉輪的轉速較高且具有巨大的角加速度時，此時主軸剎車器制動不僅會造成主軸剎車器制動起火，而且由于主軸剎車器制動時產生的巨大反向扭矩，還會使機組倒塌。例如，某風電場機組倒塌、燒毀事故。風速較高，運行機組故障脫網，三支槳葉同時不能順槳，先是主軸剎車器制動使機組完全停下來，短暫停機后，機組又再次迅速啟機。第一次停機主軸剎車器制動造成了機艙起火，葉輪再次旋轉起來后，機組硬件超速，第二次制動造成機組倒塌。

在運行機組故障時，主軸剎車器制動所消耗的能量主要來自三個方面：機組在正常發電時葉輪所儲存能量；在機組甩負荷之后到主軸剎車器制動之前，機組所吸收的風能；在主軸剎車器的制動過程中，葉輪所吸收的風能。

與其他的風電機組燒毀、倒塌事故相比，此次事故在主軸剎車器制動時葉輪的角加速度較小，葉輪轉速相對較低；主動式剎車器制動扭矩比被動式小（小于兩倍滿負荷扭矩），且變槳油動機液壓站的油管燒毀破裂使葉輪部分順槳，因此，此次事故僅造成了機組燒毀，而沒有倒塌。

四、事故再現

結合監控數據及現場實地查看風電機組燒毀情況，推斷風電機組燒毀前后運行情況：6分00秒之前，機組一直處于正常運行發電狀態，瞬時轉速為1830rpm左右，機組處于滿發狀態。已超過額定風速，機組不斷調槳，在調槳過程中，比例閥卡死，觸發“變槳機械故障”，機組槳葉不能順利順槳，轉速上升，觸發“陣風”報警，在6分05秒時同時報“變頻器報超速”、“變頻器正常信號出錯”、“發電機超速”、“低速軸超速”機組迅速脫網、甩負荷，因不能順利收槳，脫網之前機組瞬間的運行功率超過滿負荷功率，因6分05秒時還報了“變槳速度太慢”，主控發出主軸剎車器制動的指令，由于甩負荷后飛升轉速較高，主軸剎車器的時滯以及瞬時風速的上升，在主軸剎車器制動后，葉輪轉速繼續上升，6分30秒瞬時轉速為2501rpm，7分00秒瞬時轉速達到2869rpm，機組旋轉速度相當高，同時，主軸剎車器制動產生的巨大熱量和火花導致“機組冒煙”。

剎車盤和剎車片磨損劇烈，剎車片迅速消耗，6分30秒機組報“剎車盤磨損”，剎車器產生的熱量及磨下的高溫金屬磨削使周圍部件損壞、著火，齒輪箱油管破裂、油管漏油，6分37秒觸發“齒輪油壓過低”，加劇了機艙的著火面積。主軸剎車器參與制動一段時間后，“出現了火苗現象”，因制動力的作用，其后速度有所降低，10分00秒瞬時速度還有1303rpm，比機組的最低轉速1000rpm還高。

火勢蔓延擴大，變槳液壓站油管燒爆，由于變槳液壓站壓力較高，壓力在190bar－220bar以上，且氮氣罐儲能較多，油量較大，因此，在油管燒爆時，伴隨著爆炸聲，當變槳液壓站的油路燒爆后，卸掉了部分油動機壓力，葉片有一定的收槳，旋轉速度下降，但是，由于比例閥和緊急順槳電磁閥已經卡塞，不能完全卸去油動機壓力，葉片未能完全順槳，主軸剎車器的油管燒爆，主軸失去制動。因此，當天晚上葉輪還在低速旋轉。齒輪箱、主軸液壓站、變槳液壓站內的油不斷流出，火勢蔓延，直至整個機組完全燒毀。

經驗與總結

從此次事故可以看出，對液壓變槳系統機組的運行經驗缺乏，對液壓變槳系統的故障隱患還沒有足夠的認識，比如運行時已多次報“變槳機械故障”、“變槳速度太慢”等變槳故障，在沒有深入分析徹底排除故障機組的情況下仍然運行，埋下了機組燒毀的安全隱患。

動力油中的雜質會造成比例閥和其他閥體堵塞卡死，對比例閥堵塞會造成三支槳葉同時不能收回；對于比例閥和超速卸壓同時故障時，必然會造成機組燒毀、倒塌事故的發生。

從設計來講，此液壓變槳系統有待完善，該機組的控制系統和安全卸壓裝置有待完善；機組硬件、控制軟件都還需不斷地完善和改進。具體改進措施可以從以下幾方面著手：

第一、增加緊急卸壓閥保護，采取多道冗余控制保護設計；雖然該機組的控制軟件和硬件有多道硬件超速設置，但均控制的是同一個電磁閥，可以增加執行機構數量提高機組的安全性。

第二、在設計活塞和活塞桿時，應盡量避免和減少油動機活塞在運動過程中雜質的產生；增加油動機系統的動力油過濾裝置。

第三、增加液壓變槳系統的自檢程序，例如超過規定時間對緊急電磁閥進行自檢，或者是在每次啟機時均對緊急順槳電磁閥進行自檢。

第四、此液壓變槳系統在機械結構上采用的是一個油動機同時控制三支槳葉的方式，可以改成三槳葉由分別的油動機獨立控制。

第五、通過遠程通訊實時準確地檢查機組安全性故障，提高現場人員的思想素質和技術水平，尤其是加強維修、維護人員和業主的機組安全意識，以及對現場人員的培訓工作，預防重特大事故的發生。

總之，對于變槳風電機組來說，三支槳葉同時不能順槳的情況嚴重危及機組安全，在設計、裝配、維修、維護時都應當注意。通過多種技術手段，提高人員素質，以避免機組燒毀事故的再次發生。

結語

風電機組燒毀事故，損失很大，我們不能逃避責任，敷衍了事，采取回避的態度，當事故發生之后，應追尋事故發生的根本原因，有的放矢，才會收到良好的效果。

從絕大部分風電機組燒毀事故來看，大都是由于雷擊、電器、線路起火，或機組在運行過程中，因制動或旋轉部件損壞而造成劇烈摩擦引發火災。可以通過完善設計、增加安全意識、提高從業人員的業務素質等主動措施降低火災事故的發生率，而不是一味地增加消防系統等被動防火措施。

在機組事故發生后，如果對風電機組的燒毀、倒塌事故所產生的原因還沒有查清，事故分析人員匆忙得出結論，甚至得出錯誤的結論，就會為日后的工作留下很多隱患。由于事故的根本原因沒有查清，所采取的預防火災措施無的放矢，投入了大量的人力、物力和財力，增加了不少的成本后，既不能解決問題，而且還隱藏了機組真實的安全隱患，結果類似的事故可能仍會再次發生。

風電機組的運行環境惡劣，在主控設定的條件下自動控制運行，因此，我們要以預防為主，不僅要防止風電機組燒毀、倒塌事故的發生，而且還要考慮到風電機組的生產、運行和維護成本，最終達到機組在20年內成本較低，甚至更長時間內達到度電成本最低。

（作者單位：王明軍，東方汽輪機有限公司風電事業部；邵勤豐，東方電氣自控研發中心）