雙饋風力發電機組偏航系統驅動裝置故障分析及預防

五凌電力有限公司廣東分公司 馬克鵬 彭 發

在經濟社會的建設和發展中，電力作為重要的基礎能源。同時，電力本身也與人民的生產生活息息相關[1-3]。隨著新能源在電力市場的占比不斷擴大，風電作為新能源板塊的重要組成，風電場的安全穩定運行對電網的安全影響越來越大。因此，全面提高風電設備健康水平，對于電網安全穩定運行具有重要意義，也是對國家節能減排工作的一種支持[4-5]。風力發電機組偏航系統驅動裝置健康水平很大程度上影響了發電效益和安全效益[6]，因此，對于偏航系統的異常現象進行分析，并提出相應的解決方案和建議，具有重要的現實意義。

陽春市回頭龍風電場位于廣東省陽江市陽春市，距陽春市直線距離約23km。項目裝機96MW，安裝34臺葉輪直徑141m、輪轂高度為90m 的風機（其中23臺2.65MW、11臺3.2MW 風機）。新建110kV 升壓站一座，所發電量通過I 回110kV 線路送至220kV旗鼓嶺變電站，線路全長26.8公里。項目于2020年12月投產發電。偏航系統驅動裝置采用重慶齒輪箱有限責任公司和邦飛利傳動設備（上海）有限公司的設備。

1 故障情況

風機監控系統報“偏航電機未得電時轉速過高”，下次偏航時報“機艙Z 方向瞬時加速度越1級門限”。對偏航電機齒輪箱開蓋檢查，發現卡簧脫落，導致偏航電機驅動器齒輪打齒，如圖1、圖2所示。大風天氣持續期間，先后發生同類故障涉及5臺風機，共計16臺驅動電機。

圖1 偏航電機驅動器齒輪箱輸入軸卡簧脫落

圖2 偏航電機驅動器齒輪箱打齒

2 故障診斷分析

2.1 可能存在的原因

導致偏航電機驅動器齒輪箱卡滯、打齒的原因主要包括以下幾個方面。

2.1.1 裝配方面輸入軸卡簧未裝到位；輸入軸承未裝到位；卡簧裝配塑性形變；卡簧裝配方向是否錯誤。

2.1.2 設計方面

結構設計不合理；卡簧強度設計不足；卡簧材料選擇不合理；卡簧溝槽設計不合理；軸承配合處軸徑公差不合理。

2.1.3 材料及熱處理方面

材料成分不符合要求；非金屬夾雜超標；表面硬度過高。

2.1.4 制造方面

軸承配合處輸入軸徑尺寸超差；軸承配合處輸入軸徑粗糙度超差；卡簧溝槽尺寸超差。

2.1.5 工況方面

機艙振動；偏航熱繼；外載超限。

2.2 根本原因分析

風機葉輪受到超過偏航系統制動邊界的不平衡合載荷，機組在該載荷作用下發生持續的機艙位置改變的現象成為偏航滑移。如圖3所示，風機葉輪左右兩邊的風速不一致，產生葉輪不平衡載荷，葉輪不平衡載荷的物理屬性Mz，當其超過系統制動載荷時就會發生偏航滑移。Mz 越大，滑移速度越快，摩擦片磨損越嚴重。當Mz 足夠大，轉速越來越大，偏航電機驅動器齒輪箱內的卡簧受力影響脫落，導致偏航電機驅動器齒輪箱卡滯、打齒。

圖3 偏航滑移受力分析

根據故障時刻數據分析結果，在10min 時序中平均風速15m/s，共發生2次滑移，滑移時偏航電機平均轉速均超過5000rpm。第二次滑移前后風向發生突變，導致在風輪上形成較大的不平衡載荷，該時刻外載約為5700kNm，超出偏航系統的制動邊界，機艙出現滑移，同時齒輪箱輸入端卡簧松脫造成齒輪箱卡滯，故11:52:35后的一次偏航中偏航電流為72A，機艙位置未發生變化，說明已經發生失效。

由于故障發生期間，電場所在區域連續經歷“獅子山”“圓規”兩次強臺風，山地風電地形復雜，受臺風影響較大，惡劣風況導致偏航滑移，造成偏航電機驅動器齒輪箱輸入端卡簧在多次高轉速累積作用下張口脫落，進一步引起齒輪箱卡滯、打齒。

3 故障處理方法

電場共34臺風電機組，其中3臺機組采用重慶齒輪箱有限責任公司供貨的偏航驅動裝置，31臺機組采用邦飛利傳動設備（上海）有限公司供貨的偏航驅動裝置，邦飛利供貨的偏航驅動裝置設計了該卡簧，故障機組均為該31臺機組內。

對5臺故障的風機驅動電機及齒輪箱整體更換。

未發生故障的風機經廠家綜合對比分析論證，該卡簧設計不合理。對同類型的31臺風電機組予以拆除高風險機組的卡簧。

更換更耐磨的電機摩擦片，延長電機摩擦片壽命，防止抱閘制動力喪失過快導致滑移頻繁發生，不同轉速下摩擦片500次試驗磨損率對比如表1所示。

表1 不同轉速下摩擦片500次試驗磨損率對比

加強設備精密巡檢和定期維護。風機定檢中，加強摩擦片檢查，根據磨損情況提前更換。持續監測相關報警情況和大風機運行情況分析，及時優化調節制動力矩。

4 日常檢查及維護要求

4.1 日常檢查

所有電纜正確安裝在線槽或支架上，固定牢固，無松動現象。

機艙內防雷接地線纜正確安裝，螺栓及接地線連接可靠無銹蝕、松動、脫落，無電弧痕跡，一字標記無錯位；沒有油脂等易燃物在接地連接的通路上，連接編織帶和電纜無發黑；所有接閃點無漏水，接閃點硅膠無開裂、缺失。重點檢查機艙接地跨接線有無松動、污損、銹蝕等。

動力電纜，控制電纜，通信電纜及光纜等均應分類，分層排列敷設。

電纜均無磨損，無裂紋，電纜過銳邊處適當防護處理（墊膠皮）。電纜在銳邊是否有防護措施。

所有可能發生相對運動部位的電纜均有耐磨材料防護。

偏航齒圈無異物，偏航卡鉗防雷跨接線連接可靠無松動。

偏航油脂的廢油應無外泄。重點檢查機艙底板有無廢油聚積。

偏航防塵毛刷可燃，周邊不得有引火源（電氣短路、火星等）。重點檢查是否存在引火源。

偏航碳刷與齒圈接觸正常，無間隙，碳刷支架無松動。

滅火器壓力范圍在正常范圍內（綠區）。

4.2 維護要求

4.2.1 偏航齒輪潤滑維護要求

對于有自動潤滑泵的機組，檢查確認自潤滑泵運行無異常，各潤滑點正常出油；油管接頭無泄露，清除泄露的油脂；補充油脂至最大刻度線；清理堆積在塔筒頂外壁的油脂，確保塔筒壁無油脂堆積。

4.2.2 偏航齒圈手動潤滑維護要求

對于沒有自動潤滑泵的機組，需手動偏航并用毛刷均勻涂抹一層油脂到整圈齒面，油脂不能過多堆積在齒面；清理堆積在塔筒頂外壁的油脂，確保塔筒壁無油脂堆積。

4.2.3 集油槽檢查維護要求

檢查集油槽無變形、移位、焊縫開裂等異常，集油槽連接螺栓無松動、變形等；集油槽和塔筒之間是否抱緊，連接處密封膠無漏涂或失效；集油槽內油脂無溢出，及時清理。

4.2.4 摩擦片自動潤滑泵油脂加注維護要求

檢查確認油管接頭無泄露，自潤滑系統運行無異常，各潤滑點正常出油；清理偏航齒圈內圈堆積的油脂。

4.2.5 摩擦片單點潤滑泵油脂加注維護要求

檢查確認潤滑泵油脂量，少于1/2需要加注，檢查潤滑泵、管路無泄漏、破損等異常。

4.2.6 偏航接地碳刷維護要求

檢查確認表面無油脂，若發現油脂，立即清除；測量碳刷長度，有效長度小于20mm 需要更換。

4.2.7 偏航電機抱閘維護要求

檢查前斷開偏航系統供電；打開電機后罩，移除防塵圈；一周內均勻取3個點，用塞尺測量間隙并記錄；間隙合格范圍：0.3-0.5mm。

4.2.8 偏航電機剎車片維護要求

外觀檢查是否有嚴重磨損、變形、裂紋或劃痕；如發現周圍有碎末等磨損現象需測量剎車片厚度，如剎車片磨損量大于2mm 則需要更換。

4.2.9 偏航電機剎車扭矩維護要求

如有調整間隙需檢查剎車扭矩；把扭矩扳手接口裝偏航電機軸套，卡到偏航電機尾軸上檢查剎車扭矩；合格范圍根據各廠家供應商不同，參數各有不同。

4.2.10 偏航齒輪箱外觀維護要求

偏航時偏航齒輪箱無異常噪聲；檢查確認油位正常，無漏油。

4.2.11 偏航齒輪箱固定螺栓維護要求

檢查確認偏航齒輪箱與機艙底板的連接螺栓貫穿線無移位，維護檢查過的螺栓做好一字標記，并且做防腐處理。

4.2.12 偏航齒輪箱固定螺栓維護要求

選擇40A 交流檔，分別順時針、逆時針手動偏航，用鉗形電流表測量偏航電流，待電流穩定后記錄電流值。每個電機三相電流平衡，每相電流不大于5A。

4.2.13 偏航摩擦片維護要求

確認上摩擦片、下摩擦片和徑向摩擦片外觀正常，無異響、破損、竄出等異常。通過對不同位置測量的數據進行分析，計算得出磨損量，了解摩擦片的情況，根據各不同廠家要求不同，更換參數也不同。

5 結語

偏航系統作為風力發電機組的核心大部件，對機組的經濟性、可靠性、安全性都有著不可動搖的地位，為了減少偏航系統故障的發生，提高設備健康水平，提出以下建議：一是加強日常巡視，針對偏航系統的接地、剎車摩擦片、剎車盤、電機油位、齒輪齒口、電纜等重點部位進行檢查，及時發現設備存在的問題和隱患，盡早消除缺陷。二是加強運行值班參數監視，分析運行參數，及時發現故障。若已報故障，未查清原因禁止啟動設備。三是針對地方性氣候，在不同季節有針對性地檢查。如大風季節前排查變槳系統和偏航系統故障問題，每年汛前排查塔筒內接地導通問題等。四是定期組織風機半年檢和全年檢工作，嚴格把控定檢質量，確保檢修質量符合維修要求，滿足廠家標準。五是加強日常技術監督工作，對風機重要部件、螺栓、摩擦片、油樣等進行監督管理，在質保期內通過風機廠家提供的試驗數據進行分析，質保期外的要定期開展相關工作，及時分析數據。六是與風機廠家技術部門建立聯絡機制，重要技術問題形成會晤機制，第一時間確定故障問題和處理方案，便于減少經濟損失和安全風險。