兆瓦級風力發電機組安全鏈的設計

姜宇龍

北京市石景山醫院，北京 100000

0 引言

當風力發電機組主控制器功能失效，且出現內外部故障或發生危險事件時，軟件已無法起到保護作用。此時，安全鏈發揮硬件保護作用，保護功能可保持機組處于安全狀態。保護功能的激活條件應以不超過設計極限為標準，安全鏈保護功能具有比軟件控制功能更高的優先級，安全鏈內部根據不同設計條件分為若干優先級。安全鏈是最后一級保護措施，采用反邏輯設計，一旦其中一個動作，將引起相應級別的緊急停機反應[1]。

1 安全鏈的作用機制

安全鏈是將可能對風力發電機組造成致命傷害的故障作為串入安全鏈回路，通常采用“失效-安全”的原則，即信號“1”為正常狀態。安全鏈的輸出將控制機組執行相應的安全動作，從而最大限度地保證機組的安全。當安全鏈斷開后，必須通過區別于常規故障復位的安全鏈復位，使安全鏈恢復正常，才能讓機組再次起機運行。

2 安全鏈的分級設計

安全鏈系統保護根據故障的嚴重程度采用分級設計，由高至低分為三級：第一級手動緊急停機，第二級故障緊急停機和第三級安全停機。

2.1 一級安全鏈

一級安全鏈優先級最高，通過操作機艙和塔底的急停按鈕，達到緊急停機、保護機組的目的，當一級安全鏈斷開時，二級安全鏈和三級安全鏈全部斷開。

一級安全鏈由K23.0（安全鏈繼電器）、SB23.2（機艙急停按鈕）、SB13.5（塔底急停按鈕）、K17.5（安全鏈延時閉合/斷開時間繼電器）、K24.4（安全鏈急停復位繼電器）、SB24.3（機艙急停復位按鈕）、SB13.4（塔底急停復位按鈕）、SB15.3（維護開關）組成。

一級安全鏈工作原理如圖1～圖3所示。

圖1 一級安全鏈工作原理圖（a）

圖3 一級安全鏈工作原理圖（c）

機組上電前，檢查SB23.2、SB13.5、SB15.3是否為閉合狀態，確認閉合后上電，K17.5線圈得電，K17.5的常開觸點延時閉合，K23.0的Reset/Start回路（S33-S34）產生上升沿脈沖，K23.0的輸出常開觸點K1、K2閉合，一級安全鏈閉合并接通主回路（KM17.1、KM17.2線圈得電）。

圖2 一級安全鏈工作原理圖（b）

當機組遇到未知故障需緊急停機時，可手動斷開SB23.2或SB13.5，則K23.0的 輸 入 回 路（S11-S12、S21-S22）斷開，K23.0的輸出常開觸點K1、K2斷開，一級安全鏈斷開并斷開主回路。

當機組處理完當前故障，需重新閉合一級安全鏈并接通主回路時，需重新閉合SB23.2或SB13.5，并按下SB24.3或SB13.4，則K24.4線圈得電，K24.4常開觸點閉合，K23.0的Reset/Start回路（S33-S34）產生上升沿脈沖，K23.0的輸出常開觸點K1、K2閉合，一級安全鏈閉合并接通主回路。

K23.0的輸出會反饋給主控制器，實時反饋一級安全鏈閉合狀態。

2.2 二級安全鏈

二級安全鏈優先級低于一級安全鏈，安全鏈回路中包括了振動開關和超速開關，確保風機在正常振動范圍內和正常轉速范圍內運行。當二級安全鏈斷開時，三級安全鏈也會斷開。

二級安全鏈由S1（振動開關）、K55.6（主軸超速開關）、K55.8（發電機超速開關）、K24.4（安全鏈急停復位繼電器）、K17.5（安全鏈延時閉合/斷開時間繼電器）、K29.6（主控安全鏈復位繼電器常開觸點）、KM25.8（二級安全鏈接觸器）組成。

二級安全鏈工作原理如圖4所示。

圖4 二級安全鏈工作原理圖

二級安全鏈是對機組振動和超速的保護回路，以一級安全鏈中安全繼電器K23.0的輸出為起點[2]。當機組振動超限導致振動開關（S1）斷開后，二級安全鏈斷開；當主軸轉速超限（K55.6斷開）且發電機轉速超限時（K55.8斷開），二級安全鏈斷開。二級安全鏈斷開表現為KM25.8線圈失電，且S1斷開狀態和K55.6、K55.8斷開狀態會實時反饋給主控制器。

K17.5、K24.4、K29.6的輔助觸點并聯出現在二級安全鏈回路中，機組上電后，K17.5常開觸點延時閉合，接通KM25.8線圈，則KM25.8常開觸點閉合自保持。當S1、K55.6、K55.8斷開后，KM25.8線圈失電，二級安全鏈斷開。

當風機振動和超速正常后，可通過兩種方式重啟二級安全鏈回路：（1）按下SB24.3或SB13.4，接通K24.4；（2）由主控制器判斷是否可以閉合二級安全鏈，接通K29.6。

2.3 三級安全鏈

三級安全鏈優先級低于二級安全鏈，安全鏈回路中包括了偏航扭攬安全鏈、正常停機和變槳安全鏈，其觸發條件重要性低于二級安全鏈保護內容。

三級安全鏈由SB27.3（機艙手動安全停機按鈕）、SB11.3（塔底手動安全停機按鈕）、K26.8（逆時針扭攬極限繼電器常閉觸點）、K26.9（順時針扭攬極限繼電器常閉觸點）、K29.6（主控安全鏈復位繼電器常開觸點）、KM27.5（三級安全鏈接觸器）、變槳安全鏈常開觸點組成。

三級安全鏈工作原理如圖5所示。

圖5 三級安全鏈工作原理圖

三級安全鏈以二級安全鏈繼電器KM25.8的常開觸點為起點，機組正常工作時，由主控制器閉合二級安全鏈復位繼電器，接通K29.6常開觸點，則三級安全鏈繼電器KM27.5線圈得電，三級安全鏈回路接通[3]。

當機組需正常停機時，可斷開SB27.3或SB11.3，則三級安全鏈斷開，SB27.3和SB11.3的狀態會實時反饋給主控制器。當機組偏航扭攬達到某一方向極限值時，扭攬開關動作，相應方向的繼電器K26.8或K26.9常閉觸點斷開，三級安全鏈斷開。當變槳系統出現故障時，變槳安全鏈常開觸點斷開，也會導致三級安全鏈斷開。

KM27.5的常開觸點會將安全鏈回路的狀態實時反饋給主控制器和變流器。

3 結束語

從上述安全鏈設計可以看出，要使風電機組可靠運行，需要重視機組控制系統的保護功能設計。在設計控制系統時，往往注重系統的最優化設計和提高其可利用率，然而進行這些設計的前提條件是機組控制系統的安全保護，只有在確保機組安全運行的前提下，才可以討論機組的最優化設計，提高可利用率等。因此，控制系統具備完善的保護功能是風電機組安全運行的首要保證，也是評價控制系統的重要依據之一。