GE1.5sle機組SSB變槳系統典型故障分析和處理

宋中波 夏 暉

作者通聯：龍源（北京）風電工程技術有限公司 北京市西城區阜成門北大街6號-9國際投資大廈1721 100034

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1.概述

某風場GE1.5sle雙饋型風力發電機組（以下簡稱機組），采用SSB設計的七柜式直流電動變槳系統（圖1）。GEL 8230接收主控PLC發出的變槳命令，通過軸柜和電機控制3個葉片的角度，同時GEL 8230將實時監測的輪轂內設備情況和葉片角度參數信息傳輸給主控PLC，構成變槳系統的閉環控制。當變槳系統外部供電缺失或其他原因引起緊急停機時，變槳系統迅速將電機供電由DGNR 030Z切換為電池供電，使葉片迅速順槳到90°，保證機組受力最小，避免發生飛車事故。

主軸電纜連接變槳系統與機艙內控制柜（機艙柜），其在機艙的一端連接在滑環轉子上，滑環定子通過電纜連接到機艙柜，滑環定子和轉子之間采用碳刷連接，確保主軸電纜在隨主軸旋轉過程中與機艙內電纜始終保持良好接觸（圖2）。主軸電纜包含：①400V 供電采用 5 根 1×10mm2的單芯電纜（L1、L2、L3、N、PE）；②230V控制供電采用4根1×2.5mm2電纜；③輪轂內電話線采用2根2×0.35mm2電纜；④輪轂內變槳系統和機艙內控制柜之間RS422通信采用2根2×0.5mm2的帶屏蔽層電纜；⑤多根1×2.5mm2和1×1.5mm2的DC 24V信號線。主軸電纜中心有通氣管，通氣管為硬質電纜管，作用是固定主軸電纜內部的細電纜，改善電纜散熱效果。

圖1 SSB變槳系統

圖2 主軸電纜安裝位置

2.故障現象

2009年7月—2010年3月，機組故障多發，故障代碼及說明如下，其中晶閘管指DGNR 030Z。

（1）274（1#葉片晶閘管故障）、275（2#葉片晶閘管故障）、276（3#葉片晶閘管故障）。DGNR 030Z內部測量電路實時監測三相400V輸入的電壓、電流及電樞電壓。正常運行時，DGNR 030Z的輸出繼電器閉合，將BTB信號（DGNR準備就緒的DC 24V反饋信號）輸入到GEL 8230的DI口。若DGNR 030Z出現400V供電電壓低于360V（欠壓）、三相400V缺相或相序錯誤、輸出電流過大及晶閘管觸發錯誤，則輸出繼電器斷開，BTB信號消失。

（2）344（2或3個葉片晶閘管故障）。至少有2個BTB信號消失。

（3）125（葉片變槳超過90°）。至少有1個葉片的90°限位開關觸發。根據機組故障記錄，一般報344故障之后約9s，報出125故障，這是3個葉片緊急順槳的時間。

（4）122（變槳控制器集合故障）。變槳控制器受到擾動超過250ms。

3.故障處理

（1）第一階段。因故障不明確，無法準確定位故障點，故障處理以校線和更換備件為主。先后更換滑環、GEL 8230、3個軸柜內DGNR及編碼器、變槳主控柜內230V控制供電的正弦濾波器、3個軸柜內的400V熔斷器，故障依舊。更換備件同時，反復校驗輪轂內的電纜和主軸電纜，未校出故障點。

（2）第二階段。排除元器件損壞原因，重點檢查電纜接觸，人為斷開相關電纜，查找機組故障由哪根電纜引起。試驗結果顯示，多根AC 400V、AC 230V、DC 24V線路斷開都會引起相同故障，仍無法準確定位故障點，對涉及線路進行校線，也未發現故障點。

（3）第三階段。將機組故障鎖定在24V、230V、400V供電回路，判斷故障原因是電壓或電流波動，諧波引起控制回路干擾。使用電能質量分析儀和示波器測量機組相關回路波形并進行諧波分析，發現故障機組與臨近機組比較，230V控制供電回路諧波含量高出許多。拆掉塔底柜內UPS的濾波板，雖然故障機組諧波含量有所減少，與臨近機組的諧波含量相當，但機組仍然重復報同樣故障，據此排除諧波是機組故障原因。

（4）第四階段。將故障查找重點放在電纜上，采取的基本原則是：從塔底400V/230V/24V供電，沿塔底柜→塔筒→機艙→頂部柜→機艙→滑環→主軸孔→輪轂的順序，排查所有電纜段和接頭。發現塔筒內電纜、扭攬處電纜、主軸電纜的絕緣層均有磨損但不嚴重，沒有漏皮現象。重新包扎、固定相關電纜后，機組仍然重復報同樣故障。抽出主軸電纜放在進艙內，使用萬用表對其兩端校線，校線時人為不斷擺動扭曲電纜，測得所有電纜的電阻均為0.1～0.2Ω，處于正常導通狀態。由于主軸電纜在主軸孔內，不易固定，雖校線無異常，該電纜出問題的可能性仍然最大，決定更換主軸電纜。在更換主軸電纜過程中，將抽出的舊電纜外側絕緣層剝開，逐一檢查每根電纜，發現三相400V的供電電纜L1相有斷點，斷點位置在距離滑環1m處，位于主軸孔伸入齒輪箱的部分。更換主軸孔內的400V供電電纜之后，機組故障徹底消除，運行正常。

4.故障總結

斷點在L1電纜形成附加電阻Rd（斷點電阻），由熱電阻Rt和接觸電阻Rc組成，其中Rt是斷點處銅芯溫度升高而引起的附加電阻，Rc是斷點處存在壓力而在兩個接觸面形成的電阻。

（1）據統計，若故障后立即復位，并不是每次都能清除故障，而是隔幾分鐘到十幾分鐘再復位方可清除故障。而且故障不能復位時，維護人員到現場進行校線，都沒有校出故障點。

分析 機組因故障緊急停機后，葉片會迅速順槳至90°，然后變槳電機停止工作，這將明顯降低輪轂內400V供電電纜的電流，齒輪箱油溫也會隨之降低，導致斷點處的溫度降低較快，軟化的絕緣層會重新變硬，斷點處壓力也將增大。因此斷點處Rt和Rc均會變小，此時Rd＜Rf，復位即可消除故障。若機組故障后立即復位，斷點溫度及其絕緣層溫度未來得及降低，Rd仍＞Rf，造成故障復位不能。機組故障停機后，維護人員最快也要40min～1h才能到達故障機組機艙和輪轂內進行校線，此時斷點處已經降溫，Rd減小，因此無法校出故障點。可見若時間較短，斷點處溫度對機組故障的觸發起決定性作用。

（2）每次停機處理故障后，雖然未查到故障點，但是復位重啟后，機組都會運行較長一段時間，然后才再次報故障。

分析 機組停機后，斷點處溫度會降低，維護完畢后重啟機組，斷點溫度有一個積累過程，Rd也需要一個逐漸增大的過程。要使Rd＞Rf，需要一定時間，而且停機時間越長，Rd下降越多，重啟后機組可運行時間也越長。修理機組時需要停機、打開輪轂蓋進入輪轂，有時需要拆滑環，這些工作都使得電纜斷點處散熱環境得到改善，因此再積累到機組報故障時所需溫度，需要一個較長時間。如在維修過程中，有一次拆下主軸電纜進行校線后，又將電纜裝回主軸孔，盡管未找到故障點，機組卻運行將近1周。

（3） 雖然機組故障代碼全部包含 274、275、276、344、125、122，但每次所報故障順序和代碼組合不盡相同。據統計，83%以上都是3個葉片同時報故障，偶有兩個葉片或1個葉片報故障。

分析 由于DGNR 030Z采用模擬控制方式，較之數字控制系統精度低，其參數容易受溫度、濕度等天氣因素影響而引起參數漂移。因此雖然3個電機驅動器DGNR都設置供電電壓低于360V時報故障，但是其實際動作閾值存在小的差異，如有時電壓為359.9V報故障，有時電壓在360.1V報故障。當Rd變化較快，3個葉片的故障會同時觸發，反之會有1個或兩個葉片先觸發故障，剩余葉片未觸發已停機。

該機組故障比較特殊，故障位置比較隱蔽，屬于由接觸電阻引起的重復性故障。機組在剛啟動運行時，Rd較小，不會觸發故障，隨著機組運行，斷點處溫度不斷累積升高，同時溫度升高導致Rd增大，當Rd≥Rf時，機組便會報故障。機組故障停機后，斷點處溫度又會較快降低，Rd也隨之降低，故障隨之消失。