基于RCA技術的風電場變槳電機故障原因分析

楊立飛 陳 宇 王從令

（蘇州熱工研究院有限公司 廣東深圳）

一、RCA技術介紹

根本原因分析技術（Root Cause Analysis，RCA），是通過一整套系統化、邏輯化、客觀化、規范化的分析方法，找出設備故障機理和根本原因，通過制定合理的糾正措施，徹底消除故障，防止同類故障重復發生。RCA分析流程見圖1。

目前，RCA技術方法在世界航空航天、核電工業、醫療衛生、制造行業等各大領域得到了推廣應用，然而在我國風電行業尚未推行。風電機組設備面臨運行環境惡劣、維修管理不足等問題，風電設備故障重發率較高。在風電行業開展RCA推廣和應用對解決風電設備故障有重要現實意義，部分風電企業已經開始相關研究與應用嘗試。

圖1 RCA分析過程

二、變槳電機故障背景

內蒙某風電場擁有200臺FD70B型風電機組，風機在運行3年后期變槳電機故障頻發，變槳電機對風機運行至關重要，如果風機無法收槳則可能導致倒塔、飛車等，引發嚴重安全事故，經濟損失巨大。

該風場變槳電機屬于直流串聯勵磁電機，現場勘查發現電機外殼附有油污，解體發現內部線圈絕緣及線圈燒損，具有強烈的燒焦氣味。變槳電機故障停運信號主要包括：變槳電機過流報警并跳開、變槳電機過熱熱繼電器跳開、變槳電機轉速高報警停機、變槳電機轉速不同步報警停機等。為盡快消除故障恢復運行，維修人員一般進行變槳電機更換，雖更換可以暫時解決問題，因未明確電機故障根源，所以共模故障頻發，加大了維修費用和發電損失。因此應用RCA技術對變槳電機故障進行深入的原因分析，對風電場有風機可用率提升有直接作用。

三、故障原因分析過程

①確立事件范圍、邊界，調查與收集事件相關證據和材料；②現場設備勘察、設備結構及運行狀況分析，運維人員訪談；③解體故障變槳電機，分析可能故障點及其故障原因；④結合設備運行、維護、故障維修調研情況，對全部可能故障模式進行分析、論證和邏輯判斷；⑤對故障原因進行綜合分析，確定其根本原因及促成因素；⑥針對故障原因及影響因素，提出可行糾正措施。

1.數據收集和現場勘查

變槳電機運行、維修、改造記錄及現場故障設備是RCA分析的重要信息輸入，分析過程中收集和整理了風電場自運行以來的3年風機故障記錄、變槳電機運行維護策略、風機改造技術文件，并對維修人員進行了訪談和可能原因分析。

分析選取3臺故障變槳電機（品牌為LUST）內外部勘查，電機外殼肋板螺栓孔布滿油污，線圈有從內部向外部燃燒跡象，電流進線銅線熔斷，線圈絕緣被燒損（圖2），轉子與定子間有劃痕，轉子碳刷接觸處有較深的刷痕，積累了大量的油，電機內部燃燒痕跡較為明顯；部分電機碳刷燃燒殆盡或磨損嚴重，部分碳刷銅基座燒蝕嚴重甚至熔化（圖3）。

圖2 外部油污內部線圈燒損

圖3 碳刷基座燒損碳刷損壞

2.故障模式列寫

結合對變槳電機歷史故障信息收集、人員訪談、現場變槳電機解體分析以及經驗反饋等，最終確定變槳電機的可能故障模式如下。

（1）電機接線C插頭滲入齒輪箱油，導致變槳電機短路；電機接線C插頭松動，導致變槳電機停運；

（2）電機接線C插頭斷裂，導致變槳電機停運；

（3）變槳齒輪箱油漏入電機內部，導致變槳電機短路；

（4）電機內部碳刷碳粉積存，導致變槳電機短路；

（5）電機碳刷磨損過度或部分耗盡，導致變槳電機缺相運行；

（6）電機電磁剎車抱閘故障，導致電機過流故障；

（7）變槳齒輪箱內部卡澀，導致電機過流故障；

（8）編碼器角度漂移，導致電機過流故障；

（9）變槳電機風扇故障，導致電機過熱停運。

3.故障模式分析

針對3臺LUST故障變槳電機，對可能的故障模式逐個排查，包括支持證據與反對證據，同時對其發生的可能性進行了初步分析，見表1。

表1 變槳電機故障模式分析

從以上分析結果可知，最可能導致變槳電機故障的故障模式為：變槳齒輪箱油漏入電機內部；電機內部碳刷碳粉積存；電機碳刷磨損過度。

4.根本原因分析

（1）故障模式為變槳齒輪箱潤滑油漏入電機內部。①變槳齒輪箱油附著在定子、轉子線圈表面，導致其散熱能力下降，長期運行絕緣能力下降。②油的進入在變槳電機換向器表面、碳刷表面形成油膜，電機運行過程中增大了電機碳刷與換向器之間的接觸電阻，電機快速變槳過程中碳刷與換向器間打火加劇，長期燒蝕碳刷相對應的定子、轉子線圈、碳刷銅架，以及包覆碳刷防塵的橡膠密封殼體，導致定子及轉子絕緣下降（甚至短路），密封殼體嚴重燒蝕，碳刷銅架嚴重燒蝕。③油進入變槳電機內部后，在輪轂轉動過程中，當電機位置朝上、齒輪箱朝下時，油大量積存于碳刷與換向器部位，導致在電機運行時碳刷在打火過程中，通過油導通正負極碳刷（碳粉的摻入使油的導電性能加強），導致瞬間碳刷銅架熔毀，在電機內部形成強烈的火焰，將電機內的油與碳粉引燃。

（2）故障模式為變槳電機內部積累碳刷磨損及碳刷過度磨損。風電場變槳電機在變槳過程中碳刷長期磨損，長期磨損勢必消耗殆盡，且處于密閉空間內，碳粉無法排出；檢修人員并未對電機內部碳粉進行清理吹掃（吹掃前僅對電機拆卸操作難度就相當大），預防性檢修也并沒有對碳刷更換及碳粉清理說明，因此，碳粉長期積存可造成電機故障原因有：①碳刷密閉空間碳粉的長期累積，易于在電機的正負極碳刷間，以及碳刷與絕緣破損的線圈間發生短路（油與碳粉混合后則更容易形成短路），造成碳刷或線圈瞬間燒毀。②碳刷在不斷磨損過程中，如果碳刷磨損過度或者長期由于電刷接觸不良打火導致碳刷燒結，則導致碳刷與換向器硬摩擦，電流分配不均，碳刷不斷被加熱和燒結，形成惡性循環，最終導致電機絕緣損傷短路停機。③風機在運行時不可避免的發生振動，造成變槳電機碳刷與換向器接觸間隙變化，電流分配不均，電流大的碳刷發熱量增大，導致碳刷磨損特性有差異，部分碳刷因受熱膨脹卡死無法在銅刷架內運動，導致接觸不良，因此即使碳刷相同，其磨損程度也是不同的，需要定期查看碳刷厚度并進行成組更換。

（3）功率控制改造影響分析。除以上故障模式外，現場風機改造記錄表明，2011年應內蒙電網對風場功率調節控制改造要求，變槳風機功率調節方式改變，以便于電網電壓的穩定，同時避免因低溫環境停機而無法啟動的隱患，改造后利用變槳控制風機功率替代了以停運風機響應電網功率調度的要求。經分析，該項改造對碳刷磨損有重要影響，圖4為1.5 MW的FD70B型風機的風速——功率曲線。

圖4 FD70B型風機功率曲線

（4）風機原功率控制方式。風機風速在 0～3.5 m/s時，風速小于啟動風速，風機處于停運狀態；風機風速在 3.5～12.5 m/s時，風機通過變槳電機將葉片從92°旋轉至 0°，使風機發電量最大化；如果電網要求降低發電功率，則需要停運部分風機實現功率控制。風機風速在12.5～25 m/s時，風電場可以實現滿發功率，但因電網負荷承載能力有限，因此需要以停運部分風機的方式實現功率控制。風機風速＞25 m/s時，風速超出風機設計要求風速，風機全部停運。

功率控制方式改造與原功率控制方式對變槳電機運轉影響主要體現于以下分析中：風機風速在3.5～12.5 m/s時，當電網要求風電場降負荷運行時，通過變槳電機控制槳葉角度的方式，降低每個風機的功率，滿足調度要求，因此每臺風機的變槳電機都需要動作，增大了電機的動作頻度，加速了電機碳刷的磨損。風機風速為12.5～25 m/s時，風電場可以實現滿發功率，但因電網負荷承載能力有限，仍然以降低每個風機的功率，以滿足調度要求，因此每臺風機的變槳電機動作頻度增大，加速了電機碳刷的磨損。綜上所述，變槳電機故障的根本原因及促成因素如下。

根本原因1，變槳電機運行過程中漏入變槳齒輪箱潤滑油，潤滑油附著于碳刷與換向器表面，造成碳刷與換向器接觸不良而頻繁打火，長期運行導致電機線圈絕緣的損傷以及碳刷的燒結；正負極碳刷之間，碳刷與絕緣損壞的繞組之間通過油與碳粉形成短路，造成碳刷或線圈的燒損，最終導致電機停運。

根本原因2，碳刷屬于消耗部件，長期運行將會消耗殆盡（故障電機的部分碳刷已磨損耗盡，部分已磨損出裸露的銅接線），最終導致電機碳刷與換向器接觸失效導致電機故障；此外，大量碳粉積存于電機端部的密閉空間而未定期清理，易于導致電機短路燒損線圈或碳刷，最終導致電機停運。

促成因素，變槳電機的功率控制改造加劇了電機碳刷的磨損和消耗，增大了碳粉的積累，易于發生短路。

四、糾正行動制定

（1）近期糾正行動。電機碳刷磨損情況普查和更換：對使用3年左右的電機進行高空更換和地面抽樣檢查其磨損情況，進行針對性的維修更換，避免整個電機的燒毀，以及其他安全事故的發生。

（2）遠期維護策略。定期更換變槳電機碳刷和定期清理變槳電機內部碳粉（可以通過輪換備件方式管理，風機高空維修操作時可直接更換變槳電機，在地面對變槳電機進行碳刷更換或送廠家維修，現場分析時針對一臺故障電機進行了碳刷現場更換，運行狀況良好）；定期更換變槳齒輪箱的密封圈（密封圈本身存在老化，且與變槳齒輪箱油接觸以及內蒙地區冬夏溫差大的因素加速其老化，因此建議定期更換密封圈，以防止齒輪箱油進入變槳電機內部造成變槳電機故障）；

定期檢查變槳齒輪箱滲漏油情況，并對滲漏潤滑油嚴重的齒輪箱進行密封條更換，滲漏輕微的進行清理處理，避免流入變槳電機；更改設備選型：選用其他碳刷易于更換，且可靠性等同或相對較高的電機或者改用無刷變槳電機，消除該故障模式的發生。

五、預期收益評估

該風電場目前有200臺風機，每臺風機有3臺變槳電機，變槳電機總數600臺，變槳電機故障產生的經濟損失包括：直接發電損失、備件采購費用、人力資源消耗等，其綜合經濟損失評估模型見圖5。

圖5 風機故障綜合經濟損失評估模型

據維修反饋，每次電機更換按照2位運維人員工作4 h，風電上網電價0.61元/kW·h，人力成本25元/h計算，600臺變槳電機故障直接導致的發電損失、備件采購（每臺變槳電機按照3萬元估計）和人力資源消耗分別進行計算，計算公式見表2。

表2 風機變槳電機故障經濟損失評估

從表2可知，如果針對變槳電機故障原因不進行深入分析，則由變槳電機共模故障引起的直接經濟損失為2031.6萬元。因此，通過RCA故障原因分析，不僅能夠避免變槳電機故障的重發，降低設備維修更換費用，而且對于提升風電場風機可用率，減少發電損失有重要作用。

六、結束語

通過運用目前國際先進的RCA技術方法，對風電場變槳電機故障進行了根本原因分析和促成因素識別，不僅制定了針對性的糾正措施而且對提升風機運行安全水平，降低風電場經濟損失有直接作用。

目前RCA技術在風電行業的推廣仍在探索和嘗試中，建議風電場建立RCA根本原因分析體系，運用RCA技術對風機故障進行分析，消除或緩解設備故障，從本質上提高風機系統設備的可靠性水平，提升風電機組運行的安全性和經濟性。