關于風電機組接近開關引發的故障分析

李暢 鄔勇

摘 要：接近開關作為一種非接觸位置判斷型的傳感器，廣為應用在風電機組的自動檢測單元，常見如用于葉片轉速、轉動方向、偏航位置計量、高速軸轉速、低速軸轉速、發電機轉速等信號測量，本文對風電機組中接近開關信號異常導致機組故障停機展開論述。

關鍵詞：風電機組;發電機轉速;接近開關;信號干擾;超速模塊;PLC;偏航

1 風電機組中接近開關信號異常觸發的常見故障

接近開關應用在風電機組多處轉速、位置等信號的測量，如果接近開關的工作中反饋錯誤信號將導致風電機組接收信號異常而無法起到監測和保護的作用，使機組故障停機。現以東汽FD116A-2WM機型為例介紹幾類常見的接近開關信號異常觸發故障：

（1）齒輪箱超速緊停和齒輪箱軟超速緊停。風電機組齒輪箱高速軸端安裝有一接近開關，高速軸端有一凸出金屬感應齒，即高速軸每旋轉一周接近開關靠近金屬感應齒一次，接近開關將感應高電平信號傳輸至PLC和超速模塊，PLC設定有軟件超速保護定值，超速模塊設定有硬件超速保護定值，當PLC接收到的高電平信號頻率超過軟件超速保護定值風電機組即報齒輪箱軟超速緊停故障停機;當超速模塊接收到高電平信號頻率超過硬件超速保護定值超速模塊將斷開風電機組安全鏈，同時風電機組報齒輪箱超速緊停故障停機。

（2）低速軸超速緊停和低速軸軟超速緊停。與齒輪箱超速緊停和軟超速緊停故障判斷邏輯相同，低速軸前軸承側安裝有兩個接近開關，其中一個接近開關用來計量轉速信號，低速軸前軸承側有24個凸出金屬感應齒，即低速軸每旋轉一周接近開關感應出24個高電平信號，高電平信號傳輸至PLC和低速軸超速模塊，PLC同樣設有軟件超速保護定值，低速軸超速模塊設定有硬件超速保護定值，當PLC接收到的高電平信號頻率超過軟件超速保護定值風電機組即報低速軸軟超速緊停故障停機;當低速軸超速模塊接收到高電平信號頻率超過硬件超速保護定值低速軸超速模塊將斷開風電機組安全鏈，同時風電機組報低速軸超速緊停故障停機。

（3）高速軸或低速軸轉速傳感器失效。在風速大于風電機組啟動風速時，PLC監測到低速軸剎車釋放同時傳動鏈其它（低速軸側、發電機側）接近開關有一定轉速信號的情況下，高速軸轉速信號經過換算后持續小于低速軸轉速或發電機轉速一定比例時，風電機組報高速軸傳感器失效故障停機。

與高速軸轉速傳感器失效故障判斷邏輯相同，PLC監測到低速軸剎車釋放同時傳動鏈其它（高速軸側、發電機側）接近開關有一定轉速信號的情況下，低速軸轉速信號經過換算后持續小于高速軸轉速或發電機轉速一定比例時，風電機組報低速軸傳感器失效故障停機。

（4）低速軸反向。低速軸前軸承側安裝有兩個接近開關，兩個接近開關一前一后安裝在低速軸前軸承側，低速軸旋轉時，兩個接近開關會有先后順序的觸發，當兩個接近開關觸發反饋信號為“00--10-11-01-00”（0為低電平，1為高電平）一個周期時，PLC即判斷低速軸正向旋轉，當兩個接近開關觸發反饋信號為“00-01-11-10-00”一個周期時，PLC即判斷低速軸反向旋轉，風電機組報低速軸反向故障停機。

（5）偏航傳感器失效及偏航方向出錯。偏航齒圈側安裝有兩個接近開關，偏航齒圈有118個齒，風電機組順時針偏航一個齒的角度3.05°（360°/118），兩個接近開關會觸發并反饋信號為“00--10-11-01-00”（0為低電平，1為高電平）一個周期，PLC接收到這種周期脈沖即計量順時針偏航一個齒的角度為360°/118=3.05°，同理，風電機組逆時針偏航一個齒的角度，兩個接近開關會觸發并反饋信號為“00--01-11-10-00”（0為低電平，1為高電平）一個周期，PLC接收到這種周期脈沖即計量逆時針偏航一個齒的角度3.05°（360°/118）;當風電機組發出偏航指令持續一段時間，未接收任何一個接近開關觸發信號時，風電機組即報偏航傳感器失效故障停機，當風電機組發出一種方向的自動偏航指令時，兩個接近開關反饋的周期信號計量偏航位置角度變化與自動偏航指令方向相反時，風電機組即報偏航方向錯誤故障停機。

2 風電機組中接近開關信號異常觸發故障的處理

結合接近開關的重要技術參數以及實際應用情況，接近開關信號異常的排查和處理可從以下幾個方面著手進行。

接近開關的工作電源。接近開關有其的工作電源電壓要求，風電機組中常用接近開關電源電壓范圍為15-30V DC，同時接近開關屬開關型傳感器，其電源穩定性直接影響到反饋信號穩定性，可使用示波器對其電源穩定性進行檢查。

接近開關的安裝尺寸。接近開關由電磁感應原理進行工作，因此應檢查接近開關安裝是否牢固，其兩個接近開關的間距是否滿足要求，接近開關安裝支架距離是否足夠，同時確認其實際感應距離應小于0.5倍額定開關距離。

接近開關的工作環境。風機機組中接近開關安裝處多處于軸承潤滑處，軸承排出的潤滑油脂經常會干擾到接近開關的運行，接近開關表面是否油脂覆蓋，對接近開關上的油脂進行清理，同時應對其工作范圍內是否有其他金屬異物干擾進行檢查和處理。

3 接近開關信號的電磁干擾問題

風電機組中選用接近開關反饋信號通常為0到24V DC電壓信號，鑒于接近開關所發出的電壓型信號易受電磁干擾的特點，當出現信號反饋異常后進行以上常規的四種故障原因排查后，如果對接近開關進行更換仍未解決信號異常問題，應重點檢查接近開關的信號干擾問題。

接近開關所使用信號電纜多采用帶屏蔽層的信號電纜，實際運維中應對接近開關的屏蔽電纜接地情況進行檢查，確認屏蔽線接地可靠，敷設信號電纜盡量遠離動力電源線，如確實分不開時可采取十字交叉方式。

如接地仍無法減弱信號干擾的影響，可在信號輸入側并聯一個0.1uF的小電容和一個1MΩ的電阻對干擾信號進行過濾和消除。

前面兩種情況從硬件角度對干擾信號進行隔離和過濾，同樣在軟件算法方面也可以對信號源進行過濾，風電機組每個位置所安裝的接近開關主要用于檢測轉速，不同位置的部件均有其轉速工作范圍，同樣不同位置的轉速的變化速率也在一定范圍內，而不同形式的電磁干擾信號也有其固定的頻率范圍。根據正常信號與干擾信號的不同特點，可以在軟件算法中加入各種濾波算法進行運行測試，最終確定合適的濾波算法以達到清除干擾信號的目的。

結語：風電機組主要設備安裝在60-150米的高空中，它不容許眾多部件的故障頻發而經常維修，接近開關作為風電機組多項重要數據監測的傳感元件，由于現場工況，維護工藝的各種原因導致故障頻發，檢修人員應從根本上掌握其特性，判斷異常的真實原因，從而消除這種批量性的缺陷，確保風電機組安全可靠運行。

參考文獻

[1] 武昌俊.自動檢測技術及應用【M】.北京. 機型工業出版社.2005

[2] 胡向東.傳感器與檢測技術.第三版.北京.機械工業出版社.2018

[3] 四川省能投鹽邊新能源開發有限公司《故障處理手冊》.2018

作者簡介：李暢（1991--），男，四川省能投鹽邊新能源開發有限公司、研究方向：風電場運維檢修、四川省成都市武侯區航空路1號國航世紀中心8F

鄔勇（1974--），男，四川省能投鹽邊新能源開發有限公司、研究方向：風電場運維管理、四川省成都市武侯區航空路1號國航世紀中心8F