某風電機組發電機定子導電軌接線箱的 故障分析

王明軍，鐘朝飛

(1. 酒泉職業技術學院，酒泉 735000；2. 東方電氣風電有限公司，德陽 618000)

0 引言

大型兆瓦級風電機組均配置有變頻器，隨著風電技術的發展，變頻器結構也更為復雜。變頻器是風電機組的重要組成部分，具有完善保護功能對其自身及風電機組的安全運行起著重要作用。因此，對于質量優異、技術成熟的變頻器，其保護電路也會設計得較為完善。若雙饋風電機組的發電機定子、轉子線路出現打火，相間、對地短路等，變頻器會瞬間觸發斷路器跳閘，風電機組的主控制系統(下文簡稱為“主控”)報“變頻器故障”，風電機組停機。當定子線路出現嚴重短路時，還可能觸發箱變低壓側斷路器跳閘，如此可使風電機組及變頻器的安全得以保證，避免電纜、變頻器或風電機組燒毀事故的發生[1]。

某風電場的1.5 MW雙饋風電機組運行10年后，發電機定子導電軌接線箱的L3相接線銅排出現了疲勞斷裂，導致定子電纜電流嚴重過載，使電纜絕緣膠皮熔化，定子電纜對地短路引發變頻器報故障，箱變低壓側斷路器保護性跳閘，變頻器定子接觸器的L3相出現粘連，風電機組停機。本文首先對風電機組的運行及保護停機狀況進行了介紹，然后針對上述故障案例進行了分析，并給出了預防措施。

1 風電機組運行及保護停機

風電機組會在無干預的情況下自動完成等風檢測、啟機并網、正常發電和保護停機等功能[2]。在風力小或無風情況下，風電機組輸出負功率時，其會自動停機進入等風狀態。當風速達到啟動風速以上時，風電機組會自動啟機，并網發電。當變頻器出現故障時，在變頻器控制板內部會報故障，并發出命令，立即斷開變頻器的斷路器；同時，把變頻器故障信號傳遞給風電機組的主控，再由主控報出“變頻器故障”，之后風電機組停機。然而，報“變頻器故障”并非全部由變頻器自身故障造成，還可能是由電網故障或風電機組停機等原因引發。

通常情況下，在主控報“變頻器故障”，風電機組停機后，當主控程序設定的停機間隔時段結束后，主控會自動給變頻器發送一個復位信號，此時若變頻器無故障，風電機組可自動并網發電；若變頻器確實存在某種故障，主控將繼續報“變頻器故障”，風電機組停機。出現“變頻器故障”后，也可實施手動復位[3]。若是由于外界因素導致變頻器發生故障，當外界因素排除后，風電機組可再次自動并網。

為保證風電機組的安全運行，其在設計時采用了大量的冗余設計。基于對風電機組保護的設計理念為：當風電機組箱變的負載線路出現過載或嚴重對地短路時，需要箱變低壓側斷路器自動跳閘斷電，以保護風電機組塔筒內的相關動力電纜及變頻器等；當發電機及定子線路發生故障時，變頻器應及時停機、脫網，以保障自身安全，并保護發電機及定子、轉子電纜等不因故障損毀[1]。箱變跳閘通常屬于冗余保護，也是保證風電機組安全的最后一道防線。

2 發電機定子導電軌接線箱故障分析

2.1 事故狀況及主控、變頻器所報的故障

某風電場的某1臺風電機組在滿負荷發電時，瞬時負荷為1526.86 kW，激活了主控的低電壓穿越程序，主控報“穿越電網故障”，同時還報出“電網相欠壓”“電網電壓下降”，導致箱變低壓側斷路器跳閘，風電機組失電停機。

箱變低壓側斷路器合閘后，風電機組送電，但多次復位啟機，主控均報“變頻器故障”。打開變頻器并網柜發現，變頻器定子接觸器的L3相已出現粘連。為進一步查明出現粘連及箱變低壓側斷路器跳閘的原因，工作人員登塔進行檢查，發現U型電纜中的1根定子電纜的絕緣膠皮已全部熔化，與故障電纜靠近的其他電纜的絕緣膠皮也發生了不同程度的熔化，現場狀況如圖1所示。

圖1 U型電纜中1根定子電纜的絕緣膠皮熔化狀況Fig. 1 Melting condition of insulation rubber of one stator cable in U-type cable

在第3節(從下到上)塔筒平臺上方，靠近定子導電軌接線箱的塔筒馬鞍處，故障電纜絕緣膠皮的熔化更為嚴重，并一直延伸至定子導電軌接線箱內。在定子導電軌接線箱內，L3相最右邊的定子電纜為故障電纜，在靠近接線銅排處，電纜的絕緣膠皮部分已受熱碳化。L3相接線銅排(即定子導電軌接線箱最上邊的銅排)與定子導電軌用4個連接螺栓進行連接，左邊2個連接螺栓的螺帽已部分燒熔，如圖2所示。擰開L3相接線銅排與定子導電軌之間進行固定連接的連接螺栓，發現L3相接線銅排已完全斷裂，斷裂位置位于接線銅排上螺帽已部分燒熔的這2個連接螺栓孔的中心位置。定子導電軌接線箱內L3相接線銅排的狀況如圖3所示。

圖2 L3相接線銅排與定子導電軌間的連接螺栓 被燒熔的局部圖Fig. 2 Partial photo of connection bolt fused between L3 phase connection copper bar and stator conductor rail

在本次故障發生之前，風電機組主控報“變頻器故障”且風電機組停機的次數很多。近5個月之內，主控報“變頻器故障”且風電機組停機的次數多達65次；在本次故障發生前一天，主控報“變頻器故障”且風電機組停機的狀況更為頻繁，達12次，其中，在“無風停機”較頻繁時段，1 h之內觸發了4次主控報“變頻器故障”且風電機組停機。再查看變頻器內部的報故障記錄，均是“變頻器過流”，故障時直接導致變頻器斷路器斷開，發生風電機組脫網事故。

圖3 定子導電軌接線箱內L3相接線銅排的狀況Fig. 3 Condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

2.2 故障現象及分析

風電機組機頭、機艙需隨風向進行對風偏航，機艙與塔筒所有輸電電纜和控制電纜均采用U型電纜。因此，雙饋風電機組發電機定子導電軌接線箱到第3節塔筒上的定子導電軌接線箱的電力輸出也是通過U型電纜進行連接。

發電機定子在U型電纜處三相的每一相均由4根185 mm2型號電纜組成，首先固定在定子導電軌接線箱內的三相接線銅排上，然后定子電纜經機艙，沿塔筒中間的電纜導向孔，再穿過第3節塔筒平臺中心的腰形孔，下至該平臺下2.5 m處，然后從第3節塔筒平臺側邊的腰形孔拽起，從第3節塔筒平臺上的塔筒馬鞍上面繞過，用鋼扎帶將定子電纜在塔筒馬鞍上固定后，最后接到定子導電軌接線箱的接線銅排上；定子導電軌接線箱的下端直接與塔筒內的定子導電軌連接。

發電機定子電纜的每一相的電流均由4根電纜分擔。通常情況下，4根185 mm2型號電纜分別承載的電流大小基本相同。每根定子電纜分別由1個連接螺栓固定在定子導電軌接線箱的接線銅排上。故障風電機組定子導電軌接線箱內L3相接線銅排斷裂，斷裂處位于連接接線銅排與定子導電軌的4個連接螺栓中左邊2個連接螺栓孔的中心位置，狀況示意圖如圖4所示。

圖4 定子導電軌接線箱內L3相接線銅排斷裂狀況示意圖Fig. 4 Schematic diagram of fracture condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

定子導電軌接線箱L3相接線銅排的兩端均由絕緣支撐座固定，而故障風電機組的定子導電軌接線箱L3相接線銅排左邊的絕緣支撐座因故不能完全固定接線銅排左端，使接線銅排左邊和3根電纜處于相對自由狀態；另外，由于電纜安裝在第3節塔筒上方，當塔筒劇烈搖晃時，接線銅排左端與定子電纜有微小的振動和前后搖擺的位移。從接線銅排的受力分析可知，其應力集中點(即危險點)位于接線銅排與定子導電軌連接的4個連接螺栓中左邊2個連接螺栓孔的中心位置。經過時間的積累，接線銅排的危險點就出現了疲勞斷裂，并且隨著時間的推移與塔筒的搖晃和振動進一步加劇，導致接線銅排裂紋的距離不斷加大，L3相接線銅排左端的導電能力隨之降低。

在25 ℃的環境溫度下，單根185 mm2型號電纜的最大承載電流為430 A。在風電機組滿負荷時，發電機輸出定子電流約為1000～1100 A；4根185 mm2型號電纜的平均承載電流約為260 A。由于接線銅排斷裂處位于其與導電軌連接處左邊2個連接螺栓孔的中心位置，這意味著左邊3根185 mm2型號電纜的電流無法正常導電到導電軌，只剩下故障接線銅排右邊的1根185 mm2型號電纜能夠正常導電。

在接線銅排斷裂初期，故障引發的影響并未立即擴大，甚至對風電機組正常并網發電的影響不大。這是因為：一方面，在低風速時，風電機組的發電功率低，定子電流小，甚至小于單根185 mm2型號電纜的承載電流，此時，接線銅排斷裂并不會影響風電機組正常發電；另一方面，當接線銅排斷裂部位通過的電流過大，超過其承載電流時，接線銅排斷裂處會因發熱而使電阻增大，接觸面還會因發熱而發生進一步氧化，致使發熱進一步加劇，接線銅排導電能力減弱，單根185 mm2型號電纜承載的電流過大，導致接線銅排斷裂處和連接螺栓燒熔、電纜絕緣膠皮熔化和碳化，甚至還會出現導電打火的現象。因故障風電機組變頻器的保護設計非常完善，當接線銅排斷裂處出現導電打火時，會引發變頻器報“過流”，風電機組停機，直接導致變頻器斷路器瞬間斷開，主控報“變頻器故障”，從而使風電機組和變頻器得到保護。而風電機組停機后，本應根據故障信息進行修理，但是此故障并未引起現場維修人員的注意。

雖然在上述情況下風電機組存在故障和安全隱患，但此故障中，當風電機組停機后，隨著導電軌接線箱內接線銅排斷裂處導電打火的停止，風電機組變頻器故障產生的原因也隨之消除。因此，在主控報“變頻器故障”且風電機組停機后，風電機組又能順利復位并網。

在未消除故障的前提下，風電機組不斷地并網、脫網，左邊連接3根185 mm2型號電纜的接線銅排輸入端電阻持續增大，導電能力不斷減弱；接線銅排右邊的1根電纜所需承載的電流也不斷增大，當該電流遠超過電纜的承載能力時，電纜大量發熱使絕緣膠皮發生熔化。在塔筒馬鞍處的定子電纜是用鋼扎帶固定的，在最后一次故障發生時，風電機組正處于滿負荷發電狀態，發電功率達1526.86 kW；此時在電纜重力作用下，熔化膠皮被壓到一邊，定子電纜失去絕緣層的保護，導致定子電纜與鋼扎帶對地形成短路，最終造成變頻器定子接觸器L3相粘連，箱變低壓側斷路器跳閘，觸發了主控報“電網相欠壓”“電網電壓下降”的電網故障，風電機組停機。

3 經驗總結

經過上文分析，針對本次風電機組故障可以得到以下幾個方面的經驗。

1)在風電機組安裝和維護時，應加強對定子導電軌接線箱接線銅排兩端絕緣支撐座固定情況的檢查，接線銅排應良好地固定在絕緣支撐座上。

2)現場風電機組所報故障應尋根究底，不放過任何一個故障線索，以免留下潛在故障，并埋下安全隱患。從變頻器及主控的記錄可知：該風電機組在本故障發生前的近5個月內，主控報“變頻器故障”達65次之多。大多是由定子導電軌接線箱內打火引發，導致變頻器內部報“過流”。但由于現場維修人員未對該故障進行徹查，導致最終出現了定子電纜絕緣膠皮燒熔、箱變低壓側斷路器跳閘、變頻器定子接觸器粘連這些較為嚴重的故障。所以，需要加強風電場的現場管理，提高現場運維人員的技術水平，在現場處理故障時，不能輕易放過任何一個故障線索，以消除潛在的風電機組故障和安全隱患，增加風電機組運行的穩定性。

3)采取有效措施保證箱變和變頻器保護功能順利執行。在風電機組運行中，可能會出現定子、轉子電纜打火，定子、轉子電纜對地或相間短路等問題，需要變頻器斷路器及時斷開、箱變跳閘，以保證風電機組及變頻器的安全。在本次事故中，當定子導電軌接線箱出現打火故障時，變頻器能及時停機來保證風電機組安全；當定子電纜對地短路時，箱變和變頻器斷路器迅速跳閘，保護了風電機組及變頻器的安全，也充分說明了箱變和變頻器保護對風電機組安全運行的重要意義[4]。

為充分發揮箱變及變頻器的保護作用，保證風電機組及變頻器的安全，需做好以下幾個方面的工作。①需保證變頻器的采購質量和保護功能的完善，避免重大事故的發生。②為了保證箱變在必要時能自動分閘，應對其進行定期維護。箱變定期維護應包括：低壓側斷路器的參數設置檢查和自動分閘功能測試；高壓側熔斷器的安裝及跳閘機構的檢查[5]。③保證箱變的低壓側中性線的良好接地及零序保護[5]；箱變接地線與變頻器平臺接地線、定子接地線和轉子接地線在風電機組的接地匯集排上良好接地。

4 結論

本文對某風電場某1.5 MW雙饋風電機組的定子電纜絕緣膠皮熔化后，定子電纜對地短路引發變頻器報故障，箱變低壓側斷路器保護性跳閘，風電機組停機這一故障進行了分析，并給出了預防措施。通過分析可知：現場運維人員判斷風電機組故障和排除潛在故障的能力，直接關系到風電機組運行的穩定性和其利用率的提高，還涉及到風電機組的安全隱患能否順利消除。因此，需要加強風電場的現場管理，提高現場運維人員的技術水平，使風電機組達到20年，甚至更長時間內的平準化度電成本最低。