異步雙饋風力發電機組剎車系統事故預防研究

索新良，譚 袖，劉俊廷

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

近幾十年風力發電在我國發展迅速，裝機容量年年攀升。但隨之對應的問題也不斷顯現，風力發電機組設計不成熟、元器件可靠性差、現場專業人員技術水平薄弱等因素導致風電機組火災、飛車、倒塌等事故[1-2]時有發生。

以下介紹雙饋異步風力發電機因制動系統故障所導致的火災，從技術和管理方面入手，提出事故處理建議及預防措施。

1 制動系統介紹

根據GB/T 18451.1—2012《風力發電機組設計要求》，風力發電機組必須有兩套不同原理的獨立發揮作用的制動系統，以便保障風電機組在故障狀態下絕對安全。目前制動系統基本采取空氣動力學剎車和主軸機械剎車兩套機構?？諝鈩恿W剎車是通過變槳系統來使葉片順槳實現氣動剎車目的。對于異步雙饋風力發電機組，機械剎車一般是通過安裝在齒輪箱輸出端即高速軸的液壓制動器，實現制動和機械剎車。

高速軸制動器一般有兩種方式，即主動式和被動式[3-4]。主動式是指制動器得到壓力時，制動器的活塞推動摩擦片與制動盤摩擦，實現剎車功能；制動器失去壓力時，活塞在彈簧的推力下，摩擦片離開制動盤，實現松閘。被動式是指制動器失去壓力時，制動器依靠彈簧的彈力抱閘剎車；制動器得到壓力時，制動器松閘，主軸自由轉動。主動式制動器制動動力來自液壓系統，被動式制動器制動動力來自彈簧的彈力，目前主動式制動器應用較多。主動式制動器結構如圖1 所示。

圖1 高速軸制動器

2 機械剎車系統引發火災分析

火災發生的主要因素一個是可燃物，另一個是火源。風力發電機組引發火災的可燃物最主要的是油脂，因設備設計制造及安裝原因，風力發電機組齒輪箱與軸承的密封可能存在問題，齒輪箱輸入輸出軸附近、主軸軸承部位、發電機軸承部位、偏航系統等部位可能存在漏油現象[5-6]；其次是機艙布置的動力電纜、通信電纜及液壓油管等橡膠管路[7]。對于雙饋異步風力發電機組，火源主要來自齒輪箱輸出端高速軸機械剎車系統剎車片與剎車盤摩擦產生的高溫碎屑或火花[8]。

異步雙饋風力發電機組正常運行時齒輪箱輸出端屬于高速運行，若控制系統安全鏈因振動超限、超速、急停按鈕按下等異常情況動作，變槳系統會做出緊急順漿、高速軸做出剎車啟動保護動作[9]。若機械剎車系統在高速軸高速運轉時長時間執行剎車動作，摩擦片與剎車盤高速摩擦，產生大量熱量及金屬碎屑，高溫金屬碎屑沿剎車盤飛濺，溫度較高時足以引燃周邊可燃物品。

某風電項目1 臺風機遠程進行PLC 重啟時，安全鏈動作，制動器抱閘。風機再次重新啟動運行時由于制動器動作后液壓缸活塞未正?；匚?，且SCADA 系統未設置剎車狀態反饋信號，導致制動器主動側剎車片與剎車盤側摩擦近30 min，高溫產生火花和熔融物，引燃制動器下部易燃物，引發火災。

某風電項目1 臺風機機艙著火事件，因風機機械剎車裝置進行主軸剎車，剎車狀態反饋信號丟失，風機在剎車狀態下啟動并持續運行，發電機冷卻風管的連接波紋管與機械剎車系統距離較近，且無有效的防火隔離措施，剎車片與剎車盤高速摩擦產生火花，引燃剎車系統上方塑料波紋管及通風管道等可燃部件。

某風電項目1 臺風機運行時剎車系統頻繁啟停，且該故障可以自動復位，剎車系統頻繁啟停導致剎車片與剎車盤高速摩擦產生火花，引燃制動器下部易燃物，引發火災。

3 機械剎車系統火災預防措施

3.1 技術方面

針對常見機械剎車故障提出以下預防措施。

1) 將剎車位置狀態信號接入SCADA 系統，剎車位置異常時及時報警停機，提醒運維人員現場檢查。

2) 從剎車系統啟動邏輯分析，機組未超速時，可以采用軟件和硬件設計，避免主軸在高速轉動情況下機械剎車裝置動作。軟件設計是主軸在高速轉動時不允許機械剎車。在硬件設計方面可以在機械剎車系統的信號線路上加裝一個轉速繼電器，當主軸處于高轉速時保證剎車系統不動作，當轉速低至一定的轉速(例如200 r/min)時，再將安全鏈或手動剎車信號傳輸至剎車系統，該方法可以保證在非超速故障情況下，風力發電機組機械剎車。

3) 配備兩套剎車反饋壓力開關，實現重要保護雙重化配置。

4) 機組故障實行分級管理，設置禁止遠程復位(需就地檢查復位)、可遠程復位等級別。安全鏈動作、剎車位置異?；騽x車信號消失等故障應設置為最高等級故障，禁止遠程復位，運維人員需現場檢查，確認無異常時方可就地復位。

5) 高速軸剎車系統設置剎車片磨損監測功能，超過限值能及時報警停機；高速軸剎車系統設置溫度保護功能，剎車盤（片）設置溫度測點或熱敏開關，超過規定溫度報警停機；液壓系統設置油位油壓異常報警功能，液壓管路做好防磨、防漏措施，合理設置滲漏油接油盤或接油槽。

3.2 設備及管理方面

1) 機械剎車系統制動器和剎車盤配置耐高溫材料的防護罩，避免剎車盤摩擦產生的火花或高溫碎屑引發火災。剎車盤配置擋油裝置，避免因制動盤表面油污導致制動力下降或引發火災。

2) 高速軸剎車系統周邊的電纜、管路、接線槽(盒)完善防火隔離措施，如涂刷防火涂料、防火板隔斷、防火泥(包)封堵等。

3) 機艙配備自動消防裝置，當發生火災時，通過自動檢測判斷，啟動消防設施，達到滅火目的。

4) 對于可燃物問題，消除風電機組油污，降低火災威脅。機組巡檢時，發現油污應及時清理干凈，保證高速軸附近無油污出現。

5) 定期檢查高速軸剎車系統是否可靠動作，液壓缸活塞及制動鉗應無卡澀；定期檢查制動盤剎車間隙和剎車片厚度，制動盤剎車間隙定位裝置可靠固定，不應因為彈簧等裝置的應力變化而導致間隙大小變化。發現間隙超限、剎車片磨損不均勻、剎車盤受損等異常情況，應及時進行調整或更換處理；對高速軸剎車制動時間、液壓泵的自動啟停進行測試，不滿足要求時禁止啟動風力發電機組。

4 結束語

高速軸剎車系統在風機高速轉動過程中動作，剎車片與剎車盤側摩擦，產生高溫火花和熔融物，引燃制動器周圍易燃物，極易引起火災。以上從剎車系統常見異常剎車原因著手，在著火源、可燃物方面，從技術、設備及管理方面分析，提出解決異常剎車引發火災的措施和建議。