風電機組重大事故分析（二）

文 | 王明軍 高原生 杜作義

風電機組重大事故分析（二）

文 | 王明軍 高原生 杜作義

在中國風電的快速發展時期，不少風電場出現了機組飛車、倒塌事故。事故原因多種多樣。在事故分析時，只有遵從風電機組運行的基本原理、設計理念，方能找出事故產生的真實原因，以避免類似事故的再次發生。下面就某風電場的飛車、倒塌事故進行分析。

某風電場機組的飛車倒塌事故

一、事故現象

某風電場監控人員發現監控系統報發電機超速，在短暫的停機后，風電機組的葉片又再次不明原因運轉。事故機組發生飛車以后，機艙已經全部燒毀，不能從監控軟件和控制器獲取信息，除了事故現象和燒毀機組外，能夠得到的有用信息很少，這給事故分析帶來了一定的困難。而事發過程留下了很多謎團，通過剖析事發時諸多特殊的現象，可找到事故發生時的確切原因。

該機組使用的是LUST直流變槳系統，Mita控制器WP3100，后臺為Getway軟件，由于事發時機組控制器數據沒有傳到后臺，機組全部燒毀，數據無法讀取。只能從現場人員那里知道當時的一些現象和細節。

事發時風速大約在10m/s左右。一方面，現場維修人員在事發時看到，事故機組在機艙冒煙后完全停下來了，其后又迅速啟機，并飛速旋轉，迅速倒塌；另一方面，控制室的監控人員從監控軟件上看到，機組達到的最高轉速在2700rpm以上。由于廠家維修人員和業主監控人員離出事機組距離較近，當第一次停機時，機組的機艙部分已經冒煙，所以引起了他們的特別關注，第二次啟機的旋轉速度又與平常機組啟機有明顯的區別，因此，所有現場人員都一致地描述到：“機組是完全停下來之后，經過短暫停機，機組又再次迅速啟機”。

機組全部燒毀后，現場勘查發現，三支葉片都沒有順槳；在第二節塔筒的中部位置折斷；主軸剎車器處于制動狀態，剎車盤和主軸剎車片嚴重磨損。而其他部位沒有卡死和劇烈磨損的現象。

從以上的現象和現場勘測留下的疑問有：當時機組是因什么故障而停機的；在機組停下來的同時，機艙因何冒煙、火源來自何方；而停機之后，沒有人復位，又怎么會自動迅速啟機（在正常情況下，只有當機組故障消除后，才能自動復位）；是主軸剎車器剎不住還是自動解開了？如果主軸剎車器自動解開，又因何而解開等眾多疑問。

然而，此次事故最為關鍵的是：事后三支葉片都在零度位置，沒有任何收槳的痕跡。為何三支槳葉都沒有順槳？

二、事故的思考與問題

（一）是否因屏蔽狀態碼造成飛車倒塌事故

該機組使用的是Mita公司所生產的風電機組控制器，其設計較為完善。該控制器把風電機組所處的狀態都用與之對應代碼表示，可以表明風電機組的運行狀態、故障信息以及剎車等級等，這就是狀態碼。

對于絕大部分的狀態碼，根據維修人員的技術水平與當時的需要可以屏蔽（使其失效）；而有的狀態碼則由程序設定不能屏蔽，即使是用最高權限也不能屏蔽，例如：手動停機（13）、電池檢測（95）、輪轂電池故障（57）、電池電壓低（1182、1184、1186）、變槳速度太慢（1919、1920、1921）、剎車反饋（429、455）、剎車磨損（415）以及與安全鏈有關的狀態碼等。也就是說，任何現場人員都不能對這些狀態碼進行操作。這樣，既能保證機組安全和人身安全，又能在處理故障時采取靈活多變的措施，根據維修人員的經驗、判斷和處理故障能力，在保證部件安全的前提下，以達到迅速分析、判斷、確認并排除故障。

經過以上分析，此次事故不可能是因現場人員屏蔽狀態碼造成，而事故原因何在？

（二） 有多道超速保護機組為何沒有停下來

當機組第二次啟機時，機組轉速從0rpm一直飛升到2700rpm，中間順利通過了多道超速保護，而沒有順槳，則是交、直流順槳均沒有起作用。

該控制器為限制機組超速而設置的狀態碼有：213、 1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除狀態碼213是只報警不停機之外，其他的9道超速保護均為停機保護。

以上狀態碼,除213、1905、1411之外，其他超速狀態碼都由機組控制器的程序設定不能屏蔽。雖然狀態碼1905能夠屏蔽，但是，它的執行是完全由變槳控制器控制的，即使在機組控制器中被屏蔽了，只要滿足觸發條件，葉輪順槳依然是要執行的。

第一，狀態碼213（極端陣風），限制超速，只報警不停機。

在出現瞬時颶風時，報狀態碼213是降低額定轉速，把機組的額定轉速降至安全轉速，即：機組在達到1960rpm，時間超過0.2秒，葉片以5°/s順槳，通過軟件把機組的額定轉速由1780rpm降到1720rpm，使機組轉速迅速下降。當轉速下降后，機組的額定轉速還可以再次上升且不停機。這樣，既保證發電又降低轉速，不至于超速。

第二，狀態碼1905（變槳自主運行），剎車程序BP52，交流供電順槳。

順槳速度為5°/s。當機組轉速達到1950rpm時，硬件WP2135動作，通過滑環傳到輪轂控制器，輪轂控制器接到信號后超過300ms，輪轂控制器不再接收機組控制器的任何命令，只按輪轂控制器程序設定進行順槳。在執行順槳的同時，輪轂控制器通過變槳通訊傳給機組控制器，由機組控制器報出故障，葉片順槳到90°。如果存在變槳通訊故障，實際順槳沒有執行，則控制器不報此1905狀態碼故障。

第三，BP75限制超速狀態碼：1411（變頻器超速）、310（齒輪箱超速）、311（轉子超速）、312（發電機超速）均為交流供電收槳。

順槳速度為8°/s。1411是變頻器超速，達到2000rpm，變頻器發出信號通過Mita控制發出信號使機組安全停機。

310、311、312分別是齒輪箱、轉子、發電機軟件超速保護。機組達到相應轉速，如2178rpm時，Mita控制器通過軟件，給輪轂控制發出指令，讓葉輪順槳使機組停機。

第四，BP200限制超速的狀態碼：317（轉子超速超過最大值）、328（齒輪超速超過最大值）、319（發電機WP2035超速）、320（轉子WP2035超速）均為電池順槳，同時，主軸剎車器參與制動。

順槳速度理論上應為15°/s，其實際速度要與電池電壓、電流、變槳電機、變槳齒輪箱有關，通常在10s之內，三支葉片均能順槳到92°，主軸剎車器制動，安全鏈斷開。

狀態碼317、328分別是轉子、齒輪箱轉速超過最大設置值。機組達到相應轉速，如2400rpm時，Mita控制器通過軟件控制，使機組控制器斷開安全鏈。

狀態碼319、320分別是轉子、發電機硬件超速保護。機組達到相應轉速，如2400rpm時，通過超速模塊內的繼電器動作斷安全鏈，使機組停機，而與機組控制器程序設定無關。

從上面可以看出，在絕大多數的超速停機中，只采取交流供電收槳方式，不觸及安全鏈，主軸剎車器不參與制動。而這10道超速保護，無論是在并網狀態，或者是非并網條件都能使葉輪順槳。

不管是交流供電順槳，還是直流供電順槳方式，只要在順槳過程中出現問題，會報BP190故障，電池順槳再輔助以主軸剎車器，從而保證風電機組能安全停下來。在主軸剎車器參與制動的30s后，主軸剎車器自動解開。

當順槳存在問題時，主軸剎車器參與制動也能使機組安全停下來。在此次事故的第二次啟機后，機組轉速超過了2700rpm，為什么沒有順槳？只要以上的超速保護設置有一道保護能起作用，就不可能出現三支槳葉同時停在零度位置的現象。

（三）主軸剎車器制動是否有問題

低級別剎車BP50、BP52、BP60、BP75采用交流供電進行順槳；高級別剎車BP180、BP190、BP200采用電池供電順槳；BP190、BP200除了電池供電順槳外，還要輔助以主軸剎車器參與制動。由于主軸剎車器參與停機制動會產生巨大的沖擊載荷，對機組不利。因此，在一般情況下，機組只采用順槳來執行停機，主軸剎車器不參與制動。

機組停機，順槳起主要作用，即：交流供電順槳或電池順槳，主軸剎車器一般不參與停機制動，主要在維護時使用；但是，當出現交流供電順槳和電池順槳都不能使機組停下來時，例如：三槳葉同時不能順槳，主軸剎車器作為最后一道保護，參與制動保證機組安全。

該機組是采用的是兩個被動式（常閉）主軸剎車器，總的制動扭矩為兩倍滿負荷扭矩。在三槳葉不能收回的條件下，風電機組也可以安全停下來。機組在第一次停機時，三支槳葉同時不能順槳，應該是主軸剎車器參與制動，從而使葉輪停止轉動，機組完全停了下來。而第二次啟機后，主軸剎車器為何不能進行有效地制動？

（四）是否輪轂電池故障造成三支葉片同時不能順槳

從現場實踐來看，對于當時所用的LUST輪轂，當機組報輪轂電池故障時，一般都能順槳到92°限位開關位置（安全位置）。而因輪轂電池故障造成有一支葉片不能順槳到預定位置的情況都很少，也就是說，葉片大都能順槳到安全位置，至多由于電池電壓太低，電池沒有足夠的能量使葉片到達92°，而能順槳幾度，或幾十度。在現場的機組運行中，對于這種輪轂，當電池檢測或高級別剎車時，因輪轂電池故障，又有一支葉片停在零度位置的情況極其罕見。

再者，對于Mita控制器WP3100來說，無論是由于高級別剎車，還是電池檢測時，每當報過“輪轂電池故障”后，按照控制器程序的設定，在8h以后，必然還會進行電池檢測。如果電池電壓真低，機組還會報“輪轂電池故障”故障。此狀態碼不能屏蔽，一般情況下，只有將故障處理后才會再次正常運行。

一般情況下，在報“輪轂電池故障”之前，電池檢測或高級別剎車時，會報“變槳速度太慢”。按照設定一周一次電池檢測，在前一次電測檢測時，三支槳葉都沒有報“變槳速度太慢”，也沒有報“輪轂電池故障”故障（從現場人員了解，事故機組運行很好），而在需要電池順槳時，不只是一支槳葉在零度位置不能順槳，而是三支葉片都因輪轂電池故障不能順槳，從概率來講也是很難講得通。

假設，因輪轂電池故障有一支葉片停在零度位置不能順槳的概率為： 1×10－3

那么，三支葉片同時在零度位置的概率為：1×10－9

因此，在輪轂的其他元器件沒問題且接線正確的情況下，三支葉片同時因電池供電不足停在零度位置不能順槳的概率極低。從概率來講，這樣的事件低到不可能發生的程度。

再從現場實踐來講，當時所使用的LUST直流變槳系統，因輪轂電池故障而造成兩支葉片同時出現順槳問題，并保持在零度位置，至今還沒有發生過。所以，當電池順槳時，因輪轂電池故障而造成三支槳葉同時在零度位置，既沒有理論依據，也沒有實踐依據。

機組飛車、燒毀和倒塌原因分析

一、該風電機組的剎車原理分析

采用直流變槳系統的Mita控制器WP3100，每一個狀態碼都對應一個剎車程序。當一個狀態碼激活時就會執行與之相對應的剎車程序。當有多個狀態碼激活時，剎車級別最高的狀態碼優先執行。在剎車過程中剎車程序不能降低，在執行剎車程序期間，即使是具有最高剎車程序的狀態碼復位了，也要執行完這個高級別剎車。

三支槳葉同時不能收槳時，當轉速上升到2400rpm時，則執行硬件超速BP200剎車。此時完全通過硬件動作執行。在這種情況下，只與硬件有關，而與風電機組控制器和輪轂軟件程序無關，也跟風電機組外部供電與否及人為參與無關。

當主軸剎車器在葉輪高速旋轉時進行制動，要使機組停下來，一方面，葉片有巨大的慣性，主軸剎車制動減速會產生很大的翻轉扭矩，有使塔筒沿葉輪旋轉方向折斷的趨勢，當翻轉扭矩足夠大時，就會從塔筒的應力集中點折斷；另一方面，要使葉輪停止轉動，葉輪的動能、勢能和葉輪繼續吸收的風能都消耗在主軸剎車器和剎車盤上，會釋放巨大的熱量，同時可能產生劇烈的火花。因此，主軸剎車器上設計有主軸剎車器罩殼，避免火花飛濺造成機艙起火。但是，當葉輪的能量足夠大時，剎車器產生的劇烈火花還是會燒穿剎車器罩殼，或者引燃周圍的可燃物著火導致機艙起火。

二、三支槳葉同時不能順槳原理分析

該機組使用的直流變槳系統，其安全性很高。在正常情況下，電池順槳電路是：電池→接觸器→變槳電機，其順槳方式與機組的控制軟件無關，包括輪轂控制軟件和機組控制軟件。

依據LUST電路圖，如果電池順槳控制回路，或旁路限位開關回路被強行供上24V直流，那么，需要執行電池順槳時，電池順槳控制回路就不能斷電，不可能切換到電池順槳。在執行高級別剎車（需要電池供電順槳）或電池檢測時，機組會報“限位開關故障”（1159）故障。

在輪轂交流400V供電，以及機組控制器與輪轂控制器通訊正常的條件下，還可以通過：交流400V→接觸器→輪轂驅動器→變槳電機順槳，按照控制器WP3100程序控制，三葉片都準確回到90度，保證機組安全。

但是，如果存在以上的線路故障（1159），在機組運行過程中，又報變槳通訊故障，則必然導致機組的三支葉片同時不能順槳。這將嚴重危及機組安全，也許正是由于這個原因，Mita控制器WP3100的狀態碼1159，由程序設定不能屏蔽。

在上述情況下，如果機組在運行過程中，沒有變槳通訊故障，輪轂驅動器供電的交流400V斷開，或不正常，對于LUST輪轂，能解開變槳電機的電器剎車，但是，輪轂驅動器內部不能切換到直流供電狀態，三支葉片不能完全順槳，在風能和重力的作用下使葉片在一定程度上順槳，且三支葉片收槳的程度很難保持一致，從而使葉輪旋轉困難，有利于降低葉輪轉速，保證機組安全。

當存在以上的線路故障（1159），在變槳通訊和輪轂驅動器的交流400V供電都正常的情況下，運行機組在緊急順槳，或電池檢測時，由機組控制器程序設定使三支葉片回都到90度位置。由于機組故障不能切換到正常的電池順槳回路，此時，在變槳通訊和變槳電機的交流供電都正常的情況下，機組通過外界供電，按照Mita控制器WP3100的程序設定使三支葉片同時回到90位置。也就是說，此時，機組執行交流供電順槳，保證機組安全。

通過以上分析可以看出，即便是存在1159故障，在輪轂與機組控制器通訊正常時也能保證機組安全，造成三支槳葉同時不能順槳的概率很低。

如果電池順槳控制回路，或旁路限位開關回路被強行供上24V直流，報此故障后不作任何處理，采用一定的方法機組又可以順利啟機并網，不影響機組運行。如果沒有出現高級別剎車和電池檢測，機組則不會報任何故障。因此，這種飛車、倒塌事故往往發生在“運行得很好”的機組上。

如果沒有認識到此故障的嚴重性，即便是機組在電池檢測時報出來了，也大都不會引起足夠的重視；從現場的故障處理來看，因涉及器件及電路較多，分析和處理此故障較為困難，這又進一步增加了這種安全隱患存在的概率。

從故障的產生原因來看，這個故障也容易產生。在風電機組廠內生產調試時，一般都沒有把輪轂與機艙放在一起加以調試，因此，在出廠之前很難發現這種故障；在現場調試時，有不少風電場存在以趕工期、趕進度、多發電為根本目標，只求并網、不求質量的現象，不能及時排除此故障也在所難免；另外，當維護葉片螺釘時，需要手動變槳，如果機組控制柜的沒有維護開關鑰匙，不能利用鑰匙對機組進行操控時，有的維護人員，通過給電池順槳控制回路，或旁路開關回路強行供電，以達到葉片維護葉片的目的，而在葉片維護之后又忘記了把線路還原，致使機組埋藏了這樣的安全隱患。

三、事故現象還原

由于某種原因，事故機組的電池順槳控制回路，或旁路限位開關回路被強行提供24V直流，事故發生時，風速較大，發電功率在1MW以上。由于沒有達到滿負荷發電功率，機組在事故之前葉輪的三支葉片都處在零度位置。此時，由于某種原因機組報“變槳通訊故障” （1157），剎車180，機組脫網、甩負荷，因存線路問題，不能切換到電池順槳，三支葉片同時不能順槳，機組控制器因不能接收到應有的變槳角度值，于是報“變槳速度太慢”，剎車190。在正常情況下，此時會電池順槳，同時主軸剎車器動作，因電池順槳控制回路存在故障，不能切換到電池順槳，三支槳葉維持在零度位置。由于機組已經脫網，葉輪儲存的勢能轉化為動能，葉輪飛升轉速很高，主軸剎車器參與制動，以兩倍滿負荷扭矩進行制動。由于三支槳葉同時不能順槳，機組已處于完全失控狀態，輪轂吸收的巨大能量全部消耗在主軸剎車器和剎車盤上，機組具有很大的火災和倒塌風險。當時主軸剎車器的罩殼沒有蓋上，主軸剎車器制動產生的大量飛濺火花引燃了機艙罩殼、周圍的油污和其他可燃物，機組冒煙。

主軸剎車的制動力矩最終使機組停了下來，機組報“變槳速度太慢（BP190）”之后超過30s，主軸剎車器自動松開，此時，由于風的作用，風輪再次迅速旋轉起來，轉速快速上升（類似再次自動啟機），葉輪旋轉起來的角加速度遠超過正常啟機時的加速度。

在第二次葉輪轉速從0rpm旋轉起來后，因機組存在故障，到達并網轉速時，不能并網，葉輪所吸收的風能完全轉化為機組的轉速和角加速度，旋轉到1950rpm時，超速模塊動作，機組可能執行狀態碼1905，三支槳葉本應該以5°/s的速度進行交流供電順槳，但是，由于葉輪的轉速很高，還沒等到300ms延時，葉輪轉速已經到了硬件超速的設定值，或者，由于某種原因機艙的輪轂400V交流供電開關已經跳閘，機組沒能順槳；當機組到達軟件超速值1960rpm時，可以執行狀態碼213；在2000rpm時，可以執行變頻器超速；到2178rpm時，還可以執行軟件超速順槳，但是，因存在變槳通訊故障，機組控制器不能通過軟件對輪轂變槳進行控制，這些順槳都不能執行；最后到達2400rpm時，觸及硬件超速值，松開后的主軸剎車器再次參與制動。

此時，由于機組采用的是兩個被動式主軸剎車器，靠彈簧壓力對機組進行制動，而前一次停機制動時，剎車片已經磨損嚴重，使得主軸剎車器的彈簧形變減小，制動扭矩大大降低。機組第二次轉動后巨大的勢能和很高的旋轉速度，主軸軸剎車器已不可能使機組的旋轉速度迅速降低，轉速繼續上升，機組旋轉速度超過2700rpm。此時，主軸剎車器制動產生的劇烈火花加劇了機艙可燃物著火，發生火災，并且，在主軸剎車器制動時，產生了巨大的翻轉扭矩，最終使機組沿葉輪的旋轉方向倒塌，在塔筒的應力集中點，即第二節塔筒處斷裂。

從機組設計和現場實踐來看，如果只是空轉到2700rpm，而主軸剎車器不參與制動，機組能在較長時間旋轉，而不至于很快倒塌，塔筒的折斷是由于葉輪高速旋轉時，主軸剎車器在制動產生了巨大翻轉力矩所致。

本次事故，機組本有多次順槳的機會，由于多種偶然如存在1159故障，同時在運行過程中又發生了變槳通訊故障、且風能量足夠大等，才促成了機組倒塌的必然。從本次事故來看，要排除機組存在的安全隱患，才是減少和避免機組飛車倒塌的關鍵。

總結與建議

從以上分析可以看出，此次事故的原因主要是由于引進技術的時間很短，沒有充分地消化和吸收國外技術，對風電機組的運行經驗不足，加之，在風電快速發展期，業內人士普遍對機組的安全問題缺乏足夠的認識和了解，甚至人為地改動線路制造安全隱患。

在通常情況下，機組控制器按照設定的電池檢測時間，定時按程序自檢，自檢通過以后自動啟機，在機組定期的電池檢測時能發現1159故障；另外，為了便捷地檢查機組安全系統，檢查并排除1159故障，可以人為地在后臺軟件上啟動自檢程序，對每臺機組的安全系統進行遠程檢測，檢查機組是否存在安全性故障。只要對此故障有足夠的重視，并采取適當的措施，此類事故是完全可以避免的。

雖然，風電機組倒塌、燒毀事故的損失很大，但是，需認真分析事故發生的真實原因，檢查和排除三支槳葉同時不能順槳的安全隱患，從根本上消除起火點，而試圖防止機組著火事故的發生，并不是簡單地添加消防系統就能解決問題的。從以上分析可知，對于這種因長時間劇烈摩擦起火而造成的機組燒毀事故來說，增加消防系統必定會使機組的生產成本增加，而不能對此類火災事故起到杜絕的作用，更不能避免類似倒塌事故的再次發生。

如果把此次事故歸結為因“輪轂電池故障”造成，因此而過分地關注輪轂電池、無原則地更換電池，這樣，既增加了成本，又不能取得預防該類事故的效果。由于電池壽命不僅跟使用時間有關，更與電池的使用環境、方法和條件等有關，對于類似質量合格輪轂系統來說，當機組報輪轂電池故障時，再檢查和更換電池可能更科學一些。

結語

為了減少機組故障，避免重大事故的再次發生，應該對國外風電技術充分理解、消化和吸收，取長補短、結合國內風電機組生產及運行狀況，重點檢查事故發生的關鍵部位，以達到減少、甚至避免極端事故發生的目的。

風電機組的運行環境惡劣，在控制器程序設定的條件下自主、自動運行。我們要以預防為主，不僅要防止機組燒毀、倒塌事故的發生，而且，還要考慮到生產、運行和維護成本，最終達到機組在20年內是盈利的，甚至在更長時間內達到度電成本最低。

（作者單位:王明軍,高原生：東方汽輪機有限公司；杜作義：德昌風電開發有限公司）