風(fēng)電機(jī)組變槳通信故障原因分析及日常維護(hù)

金崇會(huì) 郎立慧

摘 要：根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了風(fēng)機(jī)變槳通信系統(tǒng)常見(jiàn)故障，通過(guò)對(duì)故障有效分析，旨在為同類型風(fēng)機(jī)變槳通信系統(tǒng)故障處理提供快速解決方案，并提供相應(yīng)的日常維護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：變槳；通信系統(tǒng)；故障分析；維護(hù)

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0169-04

鄞州風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合動(dòng)力風(fēng)電機(jī)組為2MW機(jī)型，采用華電天仁電動(dòng)變槳系統(tǒng)，通信方式為Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，自投產(chǎn)以來(lái)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)通信故障較為突出，其中2016年30臺(tái)風(fēng)機(jī)中就將近有10臺(tái)次風(fēng)機(jī)報(bào)變槳通信故障，損失電量占總故障電量的17%，故障時(shí)間占總故障時(shí)間的12%，故障時(shí)間長(zhǎng)、損失電量大是變槳故障最大特點(diǎn)，因此如何有效快速解決故障，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。主控和變槳系統(tǒng)信號(hào)是通過(guò)滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)部件相互連接，且變槳位于旋轉(zhuǎn)輪轂內(nèi)，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)各項(xiàng)部件磨損在所難免，因此日常的維護(hù)方式也極大影響變槳通信穩(wěn)定性。

1 變槳通信結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 變槳通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

變槳通信系統(tǒng)主要由四部分組成，分別是主控MPC240、滑環(huán)、3個(gè)變槳CPU（BX3100）、通信線及接頭。變槳系統(tǒng)由3個(gè)軸柜組成，信號(hào)從塔基柜CPU（MPC240）控制器發(fā)出經(jīng)機(jī)艙柜Profibus-DP轉(zhuǎn)接模塊到滑環(huán)，再由滑環(huán)傳入到變槳系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)軸A、軸B、軸C，最后在軸C經(jīng)過(guò)終端電阻形成完整的閉合通信回路[1]。

圖1-2所示，接頭功能主要是連接pfofibus電纜和站點(diǎn)，接口采用RS485串口，為9針式插口，一路進(jìn)線端子，一路出線端子，內(nèi)置終端電阻，通過(guò)ON/OFF打開(kāi)或關(guān)閉終端電阻。當(dāng)開(kāi)關(guān)打到ON時(shí)，進(jìn)線端子接到內(nèi)置終端電阻上；當(dāng)開(kāi)關(guān)打到OFF時(shí)，進(jìn)線端子與出線端子連通，與內(nèi)置終端電阻不連接。

風(fēng)電變槳滑環(huán)是指變槳通訊滑環(huán)，主要由滑環(huán)體、電刷組件、精密軸承、電刷固定支架、外罩組成；其中滑環(huán)體和電刷的質(zhì)量將直接影響滑環(huán)的可靠性和壽命，在滑環(huán)中俗稱摩擦副，一般配對(duì)使用。滑環(huán)是風(fēng)電機(jī)組主控和持續(xù)旋轉(zhuǎn)的輪轂變槳電源、信號(hào)和數(shù)據(jù)通訊的關(guān)鍵設(shè)備，變槳滑環(huán)在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的價(jià)值占的份額很低，但滑環(huán)的任何故障將會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)停機(jī)故障，滑環(huán)的可靠性對(duì)風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[2]。本次分析的滑環(huán)斯特曼（圖3所示）內(nèi)部為軌道式，前部槽盒為電源接線，后部為信號(hào)接線。內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，主要通過(guò)內(nèi)置圓盤接觸面進(jìn)行傳導(dǎo)，但一般通信傳導(dǎo)接觸面都采用較昂貴的鍍金工藝，通信質(zhì)量要求非常高，因此滑環(huán)不建議經(jīng)常打開(kāi)巡查，防止進(jìn)入過(guò)多灰塵等異物影響通信質(zhì)量。

通信線采用RS485屏蔽電纜（圖4所示），一紅一綠兩根信號(hào)線，內(nèi)置編織網(wǎng)屏蔽層（接地處理），可以有效防止信號(hào)干擾，提高電磁兼容能力。

BX3100模塊（圖5所示）為變槳系統(tǒng)PLC，內(nèi)置通信耦合器，三個(gè)軸柜系統(tǒng)各配置一個(gè)，PLC上有相應(yīng)的地址撥碼，可以根據(jù)通信需要進(jìn)行地址選擇，如果地址撥碼錯(cuò)誤會(huì)影響自身站點(diǎn)通信。PLC上左側(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線9針插口為通信接頭連接點(diǎn)，系統(tǒng)具有通信質(zhì)量檢測(cè)功能，LCD顯示屏及指示燈會(huì)有相應(yīng)故障顯示。

Profibus-DP模塊（圖6所示）為主控通信轉(zhuǎn)接口，主要功能是將通信接頭與主控系統(tǒng)有效耦合，快速傳遞主控-變槳之間信息。

1.2 變槳通信工作原理

Profibus（Process FieldBus-過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）為開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。其由Profibus-FMS，Profibus-PA和Profibus-DP三部分組成，其中Profibus-DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，是一種高速的通信連接，它被設(shè)計(jì)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散的I/O之間進(jìn)行通信使用，因而可滿足快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，2MW風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)正是使用此類通信方式，高效傳輸變槳數(shù)據(jù)[3]。

Profibus-DP有多主站和單主站兩種通訊結(jié)構(gòu)，而目前風(fēng)機(jī)使用的為單主站方式（圖7所示），其余設(shè)備為從站，網(wǎng)絡(luò)屬于純主-從系統(tǒng)，主站與從站之間通訊為主從輪詢方式[4]。通信主站為塔底CPU（巴赫曼MPC240），機(jī)艙控制系統(tǒng)為1個(gè)從站，變槳軸柜A、B、C各為1個(gè)從站，總共5個(gè)站點(diǎn)，站號(hào)依次為1號(hào)、2號(hào)、51號(hào)、52號(hào)和53號(hào)。通信利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以透明地傳送比特流。由于塔上塔下傳輸距離較遠(yuǎn)，采用光纖介質(zhì)；機(jī)艙柜和變槳系統(tǒng)之間采用屏蔽雙絞線，為RS-485協(xié)議，其傳輸技術(shù)為半雙工通信方式。

圖8-10所示，變槳通信從機(jī)艙的DP接頭傳輸?shù)?個(gè)變槳軸柜為RS485現(xiàn)場(chǎng)總線，根據(jù)通信要求，在首尾各需要形成一個(gè)終端電阻（220Ω），因此接頭首尾必須撥ON，而中間接頭全部撥為OFF，屏蔽層接地處理，形成良好變槳通訊。

變槳系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中時(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通訊故障檢測(cè)時(shí)間為1秒。上述任何一環(huán)出現(xiàn)故障都會(huì)影響通訊，安全鏈動(dòng)作，風(fēng)機(jī)立即停機(jī)。

2 變槳通信常見(jiàn)故障

變槳通信常見(jiàn)故障有滑環(huán)異常、通訊線損壞、模塊及程序異常等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在投運(yùn)初期，接線及撥碼等出廠檢驗(yàn)不嚴(yán)格，造成變槳通信不通暢等問(wèn)題較突出。在運(yùn)行后期大部分故障為通訊線損壞引起，同時(shí)滑環(huán)故障以及日常運(yùn)行維護(hù)不規(guī)范也對(duì)變槳通訊產(chǎn)生較大影響。

2.1 變槳滑環(huán)異常

變槳滑環(huán)為旋轉(zhuǎn)部件和固定部件的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要是將機(jī)艙的變槳通信線接入到變槳系統(tǒng)內(nèi)，安裝在齒輪箱側(cè)，與主軸運(yùn)行速度同步。當(dāng)風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滑環(huán)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)接觸面會(huì)不斷積累金屬粉末，同時(shí)由于部分滑環(huán)密封性差，外部灰塵、雜質(zhì)、油脂或濕氣等異物進(jìn)入滑環(huán)內(nèi)部，容易造成內(nèi)部接觸不良，進(jìn)而引起通訊異常。此類故障主要是引起通信閃斷，但信號(hào)不會(huì)長(zhǎng)期丟失，故障較難判斷。滑環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中振動(dòng)過(guò)大，或者齒輪箱和滑環(huán)連接不牢固（圖11所示），在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通信同樣易受干擾，閃斷現(xiàn)象較頻繁。

2.2 通信線故障

變槳通信線主要分為兩部分，分別是機(jī)艙到變槳的Profibus電纜和塔底到機(jī)艙的光纖，兩者缺一不可。塔底到機(jī)艙的光纖不僅影響變槳通信，而且也會(huì)影響機(jī)艙其它系統(tǒng)的通信連接，具有通用性；機(jī)艙P(yáng)rofibus電纜主要是影響變槳通信，具有唯一性。但后者故障概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。

2.2.1 Profibus電纜故障

Profibus通訊線從機(jī)艙柜的DP模塊連接到滑環(huán)，滑環(huán)轉(zhuǎn)接到變槳PLC，總長(zhǎng)將近10米。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，穿過(guò)齒輪箱到變槳內(nèi)部的線纜由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及線纜不斷摩擦，易發(fā)生磨損；過(guò)長(zhǎng)的通訊線在傳輸過(guò)程中，如不做好信號(hào)屏蔽工作也容易受干擾。故障主要表現(xiàn)形式為變槳通訊閃斷和通訊線折斷。

（1）變槳通訊閃斷。Profibus通訊線外部包裹有屏蔽層，一般會(huì)在設(shè)備首尾以及機(jī)艙柜內(nèi)進(jìn)行接地（圖12所示），在設(shè)備到場(chǎng)后往往有部分風(fēng)機(jī)出現(xiàn)接地不良情況，進(jìn)而無(wú)法有效做到外部信號(hào)屏蔽，造成內(nèi)部信號(hào)受干擾。此時(shí)應(yīng)該全面排查屏蔽層接點(diǎn)，做好屏蔽層綁扎措施。同時(shí)信號(hào)線布置時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)電，如果動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜混放，由于電力電纜多為非屏蔽電纜，其交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的磁通，會(huì)對(duì)通訊線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生電磁干擾[5]。（2）變槳通訊線折斷。RS485通訊線由一紅一綠兩根信號(hào)線組成，且都為硬線，在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，穿入主軸到輪轂的信號(hào)線由于長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)，加上部分風(fēng)機(jī)信號(hào)線外部包裹不嚴(yán)造成通訊線折斷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，輕者變槳通訊閃斷，重者變槳通訊不可恢復(fù)性中斷，此時(shí)故障判斷可以用萬(wàn)用表直接進(jìn)行通斷測(cè)量。變槳滑環(huán)穿過(guò)主軸和齒輪箱到變槳軸柜一般有備用通訊線路，當(dāng)發(fā)生電纜線路損壞時(shí)，可以使用備用線路作為替代，但使用前必須校驗(yàn)保證線路完好。

2.2.2 光纖故障

光纖從塔底到機(jī)艙長(zhǎng)度約為80米，要經(jīng)過(guò)塔筒馬鞍弧等處，雖然光纖自身通訊質(zhì)量較穩(wěn)定，但長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下運(yùn)行部分光纖會(huì)出現(xiàn)衰減，影響通訊質(zhì)量；同時(shí)經(jīng)過(guò)馬鞍弧等處的電纜相對(duì)較多，如果沒(méi)有較好的防護(hù)，長(zhǎng)期受擠壓磨損也會(huì)影響通訊質(zhì)量。此類故障可以通過(guò)光纖測(cè)試儀等進(jìn)行測(cè)量判斷。

2.3 模塊及程序異常

變槳系統(tǒng)模塊主要部件為主控MPC240、變槳BX3100和DPM200。模塊類故障主要分為3類，分別為模塊損壞、站點(diǎn)異常以及程序錯(cuò)誤。

變槳BX3100模塊上方有通訊耦合器，軸A、軸B、軸C各自一個(gè)可撥站點(diǎn)，但為固定模式，不能隨意更改（圖13所示），不然對(duì)應(yīng)本站點(diǎn)的通訊會(huì)出現(xiàn)異常；模塊損壞一般故障燈都會(huì)有相應(yīng)顯示，只要及時(shí)進(jìn)行更換即可；風(fēng)機(jī)變槳相關(guān)控制程序主要在MPC240和變槳BX3100模塊，程序錯(cuò)誤風(fēng)機(jī)往往無(wú)法啟動(dòng)，三個(gè)變槳軸柜PLC都是使用相同的硬件和軟件，因此可以互換進(jìn)行變槳故障判斷。如控制程序錯(cuò)誤應(yīng)該先刷新程序，刷入后還有異常且程序版本無(wú)誤應(yīng)嘗試更換新的主控模塊。

2.4 通信接頭故障

通信接頭是連接電纜和模塊的主要器件，通訊接頭故障主要分為兩類，分別是通訊接頭撥碼錯(cuò)誤和接頭損壞故障。

（1）撥碼問(wèn)題。接頭撥碼在機(jī)艙內(nèi)為ON，變槳系統(tǒng)軸A和軸B為OFF，軸C為ON，如果此時(shí)接頭沒(méi)有遵循此類撥碼要求，那通訊極有可能出現(xiàn)異常。為有效判斷故障，可以使用萬(wàn)用表測(cè)量通訊電阻，保證阻值在正常范圍內(nèi)，當(dāng)測(cè)量單個(gè)接頭電阻時(shí)電阻值應(yīng)為220Ω，如果整體測(cè)量電阻應(yīng)為110Ω，為保持測(cè)量準(zhǔn)確性，測(cè)量電阻時(shí)應(yīng)盡量保持總線上所有接頭脫離模塊。（2）接頭損壞。接頭內(nèi)置有偏置電阻，前部為9針插口，接頭損壞原因主要有電阻異常、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞以及接線錯(cuò)誤。其中接頭通訊線標(biāo)準(zhǔn)接法是1A和2A為綠色、1B和2B為紅色（圖14所示），不可隨意互換。

2.5 Harting連接異常

滑環(huán)和變槳軸柜電纜線為保證良好通訊連接，全部采用harting重載接頭，內(nèi)部為冷壓針形式連接電纜（圖15所示），但隨著使用年限的增加部分針頭和線纜可能會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或脫落情況，導(dǎo)致通訊異常。在檢查harting接頭時(shí)尤其要注意壓針手法，因?yàn)槔鋲横樞吞?hào)各異，壓線鉗口選擇不同，針頭壓接不緊容易松動(dòng)，壓接過(guò)緊可能損傷針頭，在制作過(guò)程中最好一次性成型。

2.6 其它故障

變槳通信故障較為復(fù)雜，除了上述相關(guān)故障外，影響變槳通訊的原因：（1）外部通訊干擾，主要是雷達(dá)基站等強(qiáng)電磁波影響。（2）光纖耦合器工作異常。（3）變槳BX3100和通信轉(zhuǎn)換器等模塊供電故障。（4）變槳內(nèi)部控制模塊末端子9010缺陷等。

3 變槳通信系統(tǒng)維護(hù)

變槳系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，除了定期維護(hù)還應(yīng)制定日常維護(hù)計(jì)劃，主要是對(duì)變槳系統(tǒng)的各項(xiàng)模塊進(jìn)行有效監(jiān)視。其中變槳滑環(huán)可以根據(jù)年度計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)，PLC等電氣元器件可以根據(jù)日常巡檢配套進(jìn)行，同時(shí)在日常維護(hù)中應(yīng)充分考慮備件儲(chǔ)備，因?yàn)榛h(huán)等部件損壞時(shí)風(fēng)機(jī)基本無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，極大影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性。

3.1 通訊線及Harting接頭維護(hù)

定期測(cè)試變槳通訊線，對(duì)滑環(huán)到變槳內(nèi)部的備用通訊線要求完好，如有損壞，應(yīng)及時(shí)更換，因?yàn)橥ㄓ嵕€穿過(guò)主軸，故障時(shí)更換通訊線極耗時(shí)間，而且此類故障往往是大風(fēng)時(shí)概率大幅增加。Harting接頭需要定期查看，尤其是變槳軸柜內(nèi)部，應(yīng)防止輪轂長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致線頭松動(dòng)脫落。

3.2 滑環(huán)維護(hù)

滑環(huán)定期維護(hù)和機(jī)組定期維護(hù)時(shí)間應(yīng)該同步，一般一年進(jìn)行一次。但頻繁清洗滑環(huán)可能會(huì)對(duì)滑環(huán)使用壽命有一定影響，因此在定期維護(hù)時(shí)對(duì)滑環(huán)導(dǎo)電環(huán)道進(jìn)行清洗嚴(yán)禁使用油基清洗劑以防對(duì)環(huán)道和電刷腐蝕，清洗時(shí)禁止拆卸電路板，清洗完使用熱風(fēng)槍烘干，并對(duì)每個(gè)導(dǎo)電環(huán)道滴入一滴潤(rùn)滑油[6]。

3.3 通訊模塊檢查

變槳通訊模塊日常維護(hù)，主要查看模塊連接是否牢固，模塊上方DP接頭是否松動(dòng)，變槳PLC等系統(tǒng)有無(wú)報(bào)警信號(hào)等。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)變槳通信常見(jiàn)故障歸類總結(jié)，可以有效提高風(fēng)電場(chǎng)人員故障排除效率。日常維護(hù)工作可以提前消除隱患，讓設(shè)備使用壽命周期更長(zhǎng)，其中鄞州風(fēng)電場(chǎng)在2016年大面積報(bào)變槳通信故障后對(duì)滑環(huán)進(jìn)行一次全面清洗，以及對(duì)變槳系統(tǒng)通訊線全面排查更換，之后同類故障大大降低，有效提高風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性。

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