風電機組重大事故分析（一）

文／王清照 王明軍 朱彬

風電機組重大事故分析（一）

文／王清照 王明軍 朱彬

據英國風能機構的不完全統計，截至2009年12月31日，全球共發生風電機組重大事故715起，其中火災事故138起，占總數的19.3%，位列第二位。2010年歐美等國新增火災事故7起，其中2起火災對作業工人造成了嚴重燒傷。因此，火災已成為繼雷擊后第二大毀滅性機組災害。

實際上，風電機組重大事故在國內外都有發生。有的重大事故可以預防，甚至完全可以避免。然而，隨著我國風電機組的不斷增多，部分突發事故是不可避免的，例如部分因雷擊而造成的火災事故，還有在運行過程中，部分因機組部件損壞造成劇烈摩擦起火而引發的火災事故等。在降低和避免重大事故發生的過程中，我們不僅要講科學，還要綜合考慮成本因素，不能采取過度的預防措施。把概率極低的事件當成必然事件加以考慮，將不利于機組度電成本的降低。

僅就完全可以預防、避免的機組燒毀與倒塌事故而言，它不僅與機組本身的質量、性能、運行和維護有關，而且，還與箱變等附屬設施有著密切的關系。本文主要介紹由箱變問題引發的機組故障與事故，通過對某風電場發生的一起機組燒毀事故進行分析，找出行之有效的預防措施，避免類似事故的再次發生。

事故簡介

某風電場1.5MW雙饋空冷風電機組，變頻器布置在塔基，并網開關（斷路器）是ABB生產的。在機組起火大約一個小時后發現，然后對整條線路采取了斷電措施。當人員到達現場時，整個機組如同一個巨大的“火炬”，最后，機艙及輪轂罩殼完全燒毀，三支葉片也不同程度地過火。從主控信息和事故現場兩方面證實，最后一次停機是正常的低風切出，并且，收槳正常，也不存在超速問題。從事故現場來看，位于塔基變頻器的并網開關仍處于合閘狀態，變頻器功率柜嚴重燒毀；與事故機組配套的箱變高壓側斷路器跳閘，且有兩相高壓側保險熔斷。

事故分析

此次機組燒毀事故的原因有：變頻器并網開關在停機時不能脫網是誘因，而箱變低壓側斷路器不具有自動跳閘功能是造成事故擴大的關鍵。變頻器并網開關在脫網時不能分閘屬于偶發事件，本是一般的機組故障，且發生概率較低；而對該風電場來說，箱變的低壓側斷路器不具備自動跳閘功能，違背了關鍵設備的電路分級保護原則。也就是說，在該風電場機組配套時就已經埋下了事故隱患。

從安全方面來說，與此類風電機組相配的箱變，應具有多重自動跳閘功能，以保護機組與人身安全；從現場實踐來看，只要箱變低壓側斷路器具有自動分閘的功能跳閘，就能避免事故擴大，從而避免機組燒毀事故的發生；從系統設計來看，此類機組存在變頻器并網開關無法正常脫開的可能，需要箱變低壓側斷路器具有自動分閘功能，以及時切斷電網給機組的供電，避免惡性事故的發生。

一、監控數據分析

在事故之前，機組多次報低風切出，并在8小時內幾次報變頻器故障，并均是變頻器自動復位，可能由并網開關機械故障引起。

在事故前的一次“低風切出”后，復位啟機，機組的有功功率一直維持正值，說明此時機組運行正常，處于發電狀態；其后機組因風速降低有功功率逐漸下降，于12∶37∶04觸發“低風切出”停機，因變頻器并網開關不能斷開，隨后觸發“變頻器錯誤”等一系列故障。

該機組在觸發“變頻器錯誤”等故障后，葉片順利收槳到92°，即葉片處于安全位置，主控信息與現場的實際情況相符。首先，說明機組變槳系統正常，事故之前沒有出現高級別剎車和電池檢測，輪轂變槳電機及其供電接觸器是交流供電收槳，且電流不大，機組起火的原因不在輪轂。其次，說明機組的控制系統所報信息真實可靠；另外，在低風切出時，機組高速軸轉速不高，主控沒有主軸剎車器的動作信息。所以，排除由于主軸剎車器動作，或其他部位由于轉速過高導致摩擦起火的可能。

按照所報故障發生的時間順序：變頻器電網故障、暫態電網錯誤、相電壓過低等。由于變頻器并網開關不能脫網，發電機定子線圈與電網直接相連，消耗電網功率不斷轉化為熱能。從后面觸發的故障可以看出，發動機定子溫度在短時間內急劇上升，耗電電流不斷增大。12∶40∶04，機組主控報“電網掉電”，電網至少有一相斷開；報“低風切出”的3分零2秒后，主控報“交流電源故障”，即：12∶40∶06，說明機組完全斷電。

二、集電線路及箱變高壓側斷路器跳閘分析

據現場人員反映，機組發生著火事故后，故障機組的箱變高壓側有兩相保險熔斷導致高壓側跳閘。據了解，不少箱變的高壓側開關有保險熔斷跳閘功能，而低壓側斷路器沒有自動跳閘裝置。因此，機組故障時，低壓側斷路器不可能斷開。從風電機組系統設計來看，箱變和風電機組共同組成雙重保護，按風電機組發電負荷從小到大的電流保護順序是：變頻器、箱變低壓側、箱變高壓側。在變頻器斷路器無法正常脫開的情況下，如果箱變低壓側不能及時跳閘，很容易造成事故擴大。

另外，機組主控報“電網掉電”和“交流電源”故障，與箱變高壓側兩個保險斷開的時間相對應，在后一個保險熔斷時，箱變的高壓側開關跳閘，這與現場查看的箱變高壓側斷路器跳閘及箱變高壓側兩相保險熔斷的事實相符。從主控看這兩個故障信息的時間差為2s（主控的最小計時單位為s）。再從升壓站的線路錄波信息來看，事故機組所在線路發生了 “三相電流不平衡”故障，時間為1s341ms，這再次與機組監控數據相吻合。

12∶40∶04，機組主控報“電網掉電”，箱變高壓側第一個保險熔斷；12∶40∶06，主控報“交流電源故障”，箱變高壓側的另外一個相保險熔斷，同時高壓側跳閘，機組與電網分離。

在事故發生時，事故機組同一線路的8臺機組均處于低風速發電狀態，發電功率不高，而事故機組耗電功率較大，單相耗電電流可能在機組的滿負荷以上，當事故機組高壓側保險有一相熔斷后，另外兩相仍處于耗電狀態，因此，集電線路出現了三相電流不平衡故障。當事故機組的箱變高壓側開關跳閘后，隨著事故機組的切除線路恢復正常。

該風電場箱變高壓側電壓為35kV，使用保險的容量為50A，由此核定出的箱變高壓側的容量值在3000kVA以上。從保險的熔斷狀況來看，在事故發生時，機組發熱耗電功率很高。耗電產生的熱量又主要集中在發電機定子上，發電機外殼的溫升足以達到其附近可燃物，如：潤滑系統、排氣罩等的著火點，從而造成機組起火。

三、變頻器并網開關不能分閘分析

變頻器并網開關有失壓脫扣功能，在失去外界供電時，并網開關就會斷開，然而，當箱變的高壓側跳閘后，并網開關還一直處于閉合狀態，即：在并網開關完全失電的狀態下，也不能使其分閘，變頻器并網開關屬機械卡死的可能性極大。后來對事故機組的變頻器并網開關進一步檢查也證實不能分閘是由機械卡死所致。

究其原因，該風電場的所有機組是同一機型，與其他機組相比，事故機組地處凹地，處于兩山之間，此機位的風速和風向變化極為頻繁，通過主控記錄數據發現，在事故發生前，因風速在切入風速附近頻繁且大幅度地波動，導致機組并網頻繁。平均每4－8分鐘出現一次“低風切出”的觸發與復位：當風大的時候，機組還在啟機階段，而并網之后，風速下降，風能低于機組維持發正電時所需要的能量，機組又迅速“低風切出”，這不僅對機組發電不利，而且，與同一風電場其他機組相比，在同樣時間內變頻器的并網次數增加，合閘后不能斷開的概率大大增加，致使發生分閘脫扣線圈發熱以及脫扣機械機構出現卡塞的概率增加，最終導致變頻器并網開關無法正常分閘。在事故發生時，事故機組并網開關的動作次數為18645次，而同期投入運行的其他機組一般在6000－7000左右，也說明了該機組所在機位風況變化的頻繁程度。

按照事故機組變頻器廠家對所用并網開關（ABB）的使用說明，當并網開關的動作次數達到15000次后要根據具體情況判定是否可以繼續使用，而且，在工作到20000次后，應當作報廢處理。在事故發生時，并網開關工作的次數已達18645次。另據現場了解，該機組在事故前的一次機組維護中，沒有對并網開關進行維護。因此，并網開關維護和檢修不當，是造成此次并網開關不能分閘的重要原因，也是本次事故的原因之一。

四、事故還原

結合機組的相關數據及現場情況還原事故發生過程如下：

機組因風速降低，12∶37∶04報 “低風切出”脫網，此時變頻器的并網開關不能脫網，機組正常收槳，在主控的高速軸轉速信息上了解到，盡管發電機定子產生的旋轉磁場使葉輪有增速的趨勢，但是，順槳角度不斷增大，機組高速軸轉速依然不斷降低，隨著定子旋轉磁場與轉子的轉差率不斷增大，在發電機轉子產生的感生電動勢將IGBT、低電壓穿越的功率元件等擊穿短路，巨大的熱量還使變頻器轉子接線的絕緣皮燒毀、融化，變頻器IGBT燒毀，直至變頻器處的轉子接線開路（事故后，在檢查變頻器時進一步得到證實）。當發電機的轉子接線開路以后，發電機定子的阻抗更小，定子流過電流更大，定子的發熱狀況進一步加劇，定子溫度迅速上升。

發電機定子繞組，先是觸發“定子繞組溫度偏高”溫度為120℃，在5s之后主控報“定子繞組溫度過高”。按照參數設置，此時的溫度應大于140℃；定子溫度繼續升高，在20s后，報“溫度傳感器故障”，應為定子繞組中的Pt100，或Pt100的接線被定子繞組產生的高溫熔斷所致。隨后發電機上的潤滑油管、排氣罩、潤滑油泵著火，機組起火燃燒。

五、因箱變引發的故障與多起事故

風電機組要正常運行，減少故障，避免重大事故的發生，箱變質量、箱變保護功能的完備狀況、箱變與風電機組配套等有著重要的關系。

對于因電起火的火災事故，首先要切斷供電電源，避免事故的擴大和機組燒毀事故的發生。風電機組火災事故應以預防為主，全面考慮，預防和避免惡性事故。

如果變頻器布置在機艙上面，由于機組與箱變之間的線路一直到機艙，如果箱變的保護功能不完善，當電纜出現破損時，更容易造成機組燒毀事故，箱變對機組的保護作用顯得更為重要。

就此次風電機組燒毀事故來看，由于箱變的低壓側斷路器不具有自動跳閘功能，當變頻器不能正常脫網時，箱變就不可能及時斷電，從而致使發電機持續發熱，達到機艙可燃物的著火點而引發機組燒毀事故。從多個風電場的實踐來看，如果箱變低壓側斷路器具有自動跳閘功能，一般只會使變頻器的Crowbar（低電壓穿越）燒毀，功率模塊損毀，其損毀的嚴重程度與箱變低壓側斷路器跳閘及時程度有很大的關系；當箱變的低壓側斷路器跳閘不及時，偶爾也會導致發電機的損壞。

再如：某風電場的1.5MW風電機組，2010年2月26日，風電場值班人員發現59號機組的輪轂、機艙頂部冒黑煙，16時9分到達現場， 2月27日凌晨5時20分，火焰熄滅，機組全部燒毀。事故的起因在電控柜下部母排處，由于日常工作和維護時遺留下的短接線或其他導體，引起690 V母排發生相間短路。如果機艙電纜線出現短路時，箱變及時跳閘也許能避免燒毀事故的發生。該機組的變頻器布置在機艙上，當機艙上供電線路出現短路、打火現象，而箱變的低壓側斷路器又不能及時跳閘時，必然會造成風電機組燒毀事故的發生。

2010年2月26日，某風電場在機組調試送電時，由于箱變問題，低壓側斷路器不能合閘，加之操作人員操作失誤，致使送電人員遭到電擊、截肢慘劇的發生；2008年，某風電場在機組調試之前，安裝人員在塔筒內緊固變頻器與箱變之間的連接螺釘時，安裝人員被電擊倒，此時，雖然箱變的高壓側已經送電，但是，箱變的低壓側斷路器并沒有合閘，塔筒內不應有電，在此事故發生之后，本應檢查箱變存在的問題，及時排除箱變故障。然而，由于沒有造成人員傷亡，此事并沒有引起業主人員的重視，當機組調試時發現該機組變頻器并網柜已經全部燒毀。像這樣，因箱變故障而造成并網柜燒毀的事例曾在不少風電場發生過，所幸這些變頻器都布置在塔基，沒有引起事故的擴大。如果箱變布置在機艙，還可能造成機組的燒毀。

因箱變問題而造成風電機組故障的事例，在風電場時有發生。對于這種情況，機組一般都能并網，但并網后會報電網故障停機，缺乏經驗的維修人員很難判斷。因故障產生的部位在箱變，而維修人員普遍只是考慮風電機組本身，因此，判斷故障的時間經常長達幾個月，大大影響了機組的利用率和發電量。

總之，確保箱變質量，充分發揮箱變對風電機組的保護作用，是減少機組故障與事故、保證人身安全中重要的一環。

經驗與總結

一、機組參數按機位風況進行優化

同一風電場，不同機位的風電機組因其風況條件不完全一致。對于跟其他機組的風況條件差別較大的機組，其參數的設置可以根據具體機位進行適當調整，即在不影響機組發電量的前提下，根據機位的風況條件對機組的切入、切出相關參數進行調整，以減少機組并網開關的動作次數。在不穩定的低風狀況下頻繁啟停，不僅會增加機組并網開關動作次數，同時，還會提高故障率。

二、注意變頻器并網開關的維護

為了避免出現并網開關的機械卡死故障，在并網動作次數超過一定值時，尤其對并網開關的機械部位進行檢查和維護，以減少并網開關的故障幾率。

在ABB并網開關維護時，需重點檢查儲能連桿兩側鉚接、軸承銷是否松動，銷子是否變形，結合半軸、分閘半軸、鉤塊以及其他傳動部件，儲能電機、齒輪、螺釘有沒有過度磨損、過熱、破損、松動的現象；給運動部件按要求添加潤滑油等 。

三、確保箱變低壓側斷路器的自動保護功能完善

風電場業主在安裝機組時，按照國家相關設備技術標準，與生產廠家提供的箱變技術規范選配合適的箱式變壓器，保證箱變的低壓側斷路器具備相關的保護功能。另外，為了保證箱變在必要的時候及時分閘，應定期對箱變進行檢查和維護，包活箱變低壓側斷路器的自動分閘功能進行試驗與參數設置。

此項措施不僅有利保護風電機組與箱變本身，而且，也有利于保護現場人員的人身安全。

四、如何正確對待風電機組燒毀事故

風電機組燒毀事故，雖然損失很大，但不能逃避責任，敷衍了事，采取回避態度。事故發生后，應追尋事故發生的根本原因，有的放矢，才會收到良好的效果。

從絕大部分風電機組燒毀事故來看，大都是由于雷擊、電器、線路起火，或機組在運行過程中，由旋轉部件損壞而造成劇烈摩擦產生的火災。從已發生的眾多機組燒毀事故分析，如果采取每臺機組上都添加一套功能完備的自動消防系統，對絕大部分的燒毀事故而言是無益的，而且在機組維修和維護時，還可能由于消防系統的誤操作而引發人身傷害，即便是這些消防系統能對個別火災事故起到預防作用，但這與所花的機組成本相比，可能得不償失，增加了度電成本。在風電設備價格一路走低的情況下，如果把增加消防系統、在線監測等所花的費用，用到變槳系統、控制系統軟件提升、關鍵部件質量和維護費用上，可能更有利于提高機組安全與降低度電成本。

當機組燒毀事故發生以后，如果采取的預防措施過度，甚至錯誤決策，必然是有害的。例如：某個風電場領導聽說機艙罩殼上的保溫層可能引發火災，為了避免火災事故的發生，該業主把所有機組的保溫層全部去掉。到了冬季，該風電場的機艙外溫度一般都在零下20℃至零下30℃之間，在極端天氣下，該風電場的環境溫度更低，在去掉保溫層后的第一年冬季，由于機艙沒有保溫材料，不能很好地保溫，從而引發了不少因環境溫度低而產生的故障，這種做法未見對防火的作用，而增加機組故障卻極其明顯。

事故發生后，對風電機組的燒毀，倒塌事故所產生的原因還沒有查清，或由于某種因素的作用，事故分析人員在短時間內就匆忙地得出結論，甚至得出錯誤的結論。這樣，投入了大量的人力、物力和財力，增加了不少的成本后，既不能解決問題，而且還隱藏了機組真實的安全隱患。由于事故的根本原因沒有查清，所采取的措施不可能有準確的目標，結果，類似事故在必要的條件下將會再次發生。

結語

為了讓風電機組能夠正常運行，減少機組故障，避免重大事故發生，不能僅考慮風電機組本身，應綜合考慮各種因素，包括機組附屬機構與設施，例如箱變、風況、電網、線路、升壓站等，以達到減少甚至避免極端事故發生的目的。

風電機組的運行環境惡劣，是在主控設定的條件下自主運行，因此，我們要以預防為主，不僅要防止風電機組燒毀、倒塌事故的發生，還要考慮到機組的生產、運行和維護成本，最終達到機組在20年內是贏利的，甚至更長時間內達到度電成本最低。

（作者單位：東方汽輪機有限公司風電事業部）