某風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子導(dǎo)電軌接線箱的 故障分析

王明軍，鐘朝飛

(1. 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，酒泉 735000；2. 東方電氣風(fēng)電有限公司，德陽 618000)

0 引言

大型兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組均配置有變頻器，隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，變頻器結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。變頻器是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，具有完善保護(hù)功能對(duì)其自身及風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行起著重要作用。因此，對(duì)于質(zhì)量優(yōu)異、技術(shù)成熟的變頻器，其保護(hù)電路也會(huì)設(shè)計(jì)得較為完善。若雙饋風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線路出現(xiàn)打火，相間、對(duì)地短路等，變頻器會(huì)瞬間觸發(fā)斷路器跳閘，風(fēng)電機(jī)組的主控制系統(tǒng)(下文簡稱為“主控”)報(bào)“變頻器故障”，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。當(dāng)定子線路出現(xiàn)嚴(yán)重短路時(shí)，還可能觸發(fā)箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，如此可使風(fēng)電機(jī)組及變頻器的安全得以保證，避免電纜、變頻器或風(fēng)電機(jī)組燒毀事故的發(fā)生[1]。

某風(fēng)電場的1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行10年后，發(fā)電機(jī)定子導(dǎo)電軌接線箱的L3相接線銅排出現(xiàn)了疲勞斷裂，導(dǎo)致定子電纜電流嚴(yán)重過載，使電纜絕緣膠皮熔化，定子電纜對(duì)地短路引發(fā)變頻器報(bào)故障，箱變低壓側(cè)斷路器保護(hù)性跳閘，變頻器定子接觸器的L3相出現(xiàn)粘連，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。本文首先對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行及保護(hù)停機(jī)狀況進(jìn)行了介紹，然后針對(duì)上述故障案例進(jìn)行了分析，并給出了預(yù)防措施。

1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行及保護(hù)停機(jī)

風(fēng)電機(jī)組會(huì)在無干預(yù)的情況下自動(dòng)完成等風(fēng)檢測、啟機(jī)并網(wǎng)、正常發(fā)電和保護(hù)停機(jī)等功能[2]。在風(fēng)力小或無風(fēng)情況下，風(fēng)電機(jī)組輸出負(fù)功率時(shí)，其會(huì)自動(dòng)停機(jī)進(jìn)入等風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速以上時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)自動(dòng)啟機(jī)，并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，在變頻器控制板內(nèi)部會(huì)報(bào)故障，并發(fā)出命令，立即斷開變頻器的斷路器；同時(shí)，把變頻器故障信號(hào)傳遞給風(fēng)電機(jī)組的主控，再由主控報(bào)出“變頻器故障”，之后風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。然而，報(bào)“變頻器故障”并非全部由變頻器自身故障造成，還可能是由電網(wǎng)故障或風(fēng)電機(jī)組停機(jī)等原因引發(fā)。

通常情況下，在主控報(bào)“變頻器故障”，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，當(dāng)主控程序設(shè)定的停機(jī)間隔時(shí)段結(jié)束后，主控會(huì)自動(dòng)給變頻器發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)，此時(shí)若變頻器無故障，風(fēng)電機(jī)組可自動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電；若變頻器確實(shí)存在某種故障，主控將繼續(xù)報(bào)“變頻器故障”，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。出現(xiàn)“變頻器故障”后，也可實(shí)施手動(dòng)復(fù)位[3]。若是由于外界因素導(dǎo)致變頻器發(fā)生故障，當(dāng)外界因素排除后，風(fēng)電機(jī)組可再次自動(dòng)并網(wǎng)。

為保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，其在設(shè)計(jì)時(shí)采用了大量的冗余設(shè)計(jì)。基于對(duì)風(fēng)電機(jī)組保護(hù)的設(shè)計(jì)理念為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組箱變的負(fù)載線路出現(xiàn)過載或嚴(yán)重對(duì)地短路時(shí)，需要箱變低壓側(cè)斷路器自動(dòng)跳閘斷電，以保護(hù)風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)的相關(guān)動(dòng)力電纜及變頻器等；當(dāng)發(fā)電機(jī)及定子線路發(fā)生故障時(shí)，變頻器應(yīng)及時(shí)停機(jī)、脫網(wǎng)，以保障自身安全，并保護(hù)發(fā)電機(jī)及定子、轉(zhuǎn)子電纜等不因故障損毀[1]。箱變跳閘通常屬于冗余保護(hù)，也是保證風(fēng)電機(jī)組安全的最后一道防線。

2 發(fā)電機(jī)定子導(dǎo)電軌接線箱故障分析

2.1 事故狀況及主控、變頻器所報(bào)的故障

某風(fēng)電場的某1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)，瞬時(shí)負(fù)荷為1526.86 kW，激活了主控的低電壓穿越程序，主控報(bào)“穿越電網(wǎng)故障”，同時(shí)還報(bào)出“電網(wǎng)相欠壓”“電網(wǎng)電壓下降”，導(dǎo)致箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，風(fēng)電機(jī)組失電停機(jī)。

箱變低壓側(cè)斷路器合閘后，風(fēng)電機(jī)組送電，但多次復(fù)位啟機(jī)，主控均報(bào)“變頻器故障”。打開變頻器并網(wǎng)柜發(fā)現(xiàn)，變頻器定子接觸器的L3相已出現(xiàn)粘連。為進(jìn)一步查明出現(xiàn)粘連及箱變低壓側(cè)斷路器跳閘的原因，工作人員登塔進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)U型電纜中的1根定子電纜的絕緣膠皮已全部熔化，與故障電纜靠近的其他電纜的絕緣膠皮也發(fā)生了不同程度的熔化，現(xiàn)場狀況如圖1所示。

圖1 U型電纜中1根定子電纜的絕緣膠皮熔化狀況Fig. 1 Melting condition of insulation rubber of one stator cable in U-type cable

在第3節(jié)(從下到上)塔筒平臺(tái)上方，靠近定子導(dǎo)電軌接線箱的塔筒馬鞍處，故障電纜絕緣膠皮的熔化更為嚴(yán)重，并一直延伸至定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)。在定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)，L3相最右邊的定子電纜為故障電纜，在靠近接線銅排處，電纜的絕緣膠皮部分已受熱碳化。L3相接線銅排(即定子導(dǎo)電軌接線箱最上邊的銅排)與定子導(dǎo)電軌用4個(gè)連接螺栓進(jìn)行連接，左邊2個(gè)連接螺栓的螺帽已部分燒熔，如圖2所示。擰開L3相接線銅排與定子導(dǎo)電軌之間進(jìn)行固定連接的連接螺栓，發(fā)現(xiàn)L3相接線銅排已完全斷裂，斷裂位置位于接線銅排上螺帽已部分燒熔的這2個(gè)連接螺栓孔的中心位置。定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排的狀況如圖3所示。

圖2 L3相接線銅排與定子導(dǎo)電軌間的連接螺栓 被燒熔的局部圖Fig. 2 Partial photo of connection bolt fused between L3 phase connection copper bar and stator conductor rail

在本次故障發(fā)生之前，風(fēng)電機(jī)組主控報(bào)“變頻器故障”且風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的次數(shù)很多。近5個(gè)月之內(nèi)，主控報(bào)“變頻器故障”且風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的次數(shù)多達(dá)65次；在本次故障發(fā)生前一天，主控報(bào)“變頻器故障”且風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的狀況更為頻繁，達(dá)12次，其中，在“無風(fēng)停機(jī)”較頻繁時(shí)段，1 h之內(nèi)觸發(fā)了4次主控報(bào)“變頻器故障”且風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。再查看變頻器內(nèi)部的報(bào)故障記錄，均是“變頻器過流”，故障時(shí)直接導(dǎo)致變頻器斷路器斷開，發(fā)生風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故。

圖3 定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排的狀況Fig. 3 Condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

2.2 故障現(xiàn)象及分析

風(fēng)電機(jī)組機(jī)頭、機(jī)艙需隨風(fēng)向進(jìn)行對(duì)風(fēng)偏航，機(jī)艙與塔筒所有輸電電纜和控制電纜均采用U型電纜。因此，雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子導(dǎo)電軌接線箱到第3節(jié)塔筒上的定子導(dǎo)電軌接線箱的電力輸出也是通過U型電纜進(jìn)行連接。

發(fā)電機(jī)定子在U型電纜處三相的每一相均由4根185 mm2型號(hào)電纜組成，首先固定在定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)的三相接線銅排上，然后定子電纜經(jīng)機(jī)艙，沿塔筒中間的電纜導(dǎo)向孔，再穿過第3節(jié)塔筒平臺(tái)中心的腰形孔，下至該平臺(tái)下2.5 m處，然后從第3節(jié)塔筒平臺(tái)側(cè)邊的腰形孔拽起，從第3節(jié)塔筒平臺(tái)上的塔筒馬鞍上面繞過，用鋼扎帶將定子電纜在塔筒馬鞍上固定后，最后接到定子導(dǎo)電軌接線箱的接線銅排上；定子導(dǎo)電軌接線箱的下端直接與塔筒內(nèi)的定子導(dǎo)電軌連接。

發(fā)電機(jī)定子電纜的每一相的電流均由4根電纜分擔(dān)。通常情況下，4根185 mm2型號(hào)電纜分別承載的電流大小基本相同。每根定子電纜分別由1個(gè)連接螺栓固定在定子導(dǎo)電軌接線箱的接線銅排上。故障風(fēng)電機(jī)組定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排斷裂，斷裂處位于連接接線銅排與定子導(dǎo)電軌的4個(gè)連接螺栓中左邊2個(gè)連接螺栓孔的中心位置，狀況示意圖如圖4所示。

圖4 定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)L3相接線銅排斷裂狀況示意圖Fig. 4 Schematic diagram of fracture condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

定子導(dǎo)電軌接線箱L3相接線銅排的兩端均由絕緣支撐座固定，而故障風(fēng)電機(jī)組的定子導(dǎo)電軌接線箱L3相接線銅排左邊的絕緣支撐座因故不能完全固定接線銅排左端，使接線銅排左邊和3根電纜處于相對(duì)自由狀態(tài)；另外，由于電纜安裝在第3節(jié)塔筒上方，當(dāng)塔筒劇烈搖晃時(shí)，接線銅排左端與定子電纜有微小的振動(dòng)和前后搖擺的位移。從接線銅排的受力分析可知，其應(yīng)力集中點(diǎn)(即危險(xiǎn)點(diǎn))位于接線銅排與定子導(dǎo)電軌連接的4個(gè)連接螺栓中左邊2個(gè)連接螺栓孔的中心位置。經(jīng)過時(shí)間的積累，接線銅排的危險(xiǎn)點(diǎn)就出現(xiàn)了疲勞斷裂，并且隨著時(shí)間的推移與塔筒的搖晃和振動(dòng)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致接線銅排裂紋的距離不斷加大，L3相接線銅排左端的導(dǎo)電能力隨之降低。

在25 ℃的環(huán)境溫度下，單根185 mm2型號(hào)電纜的最大承載電流為430 A。在風(fēng)電機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出定子電流約為1000～1100 A；4根185 mm2型號(hào)電纜的平均承載電流約為260 A。由于接線銅排斷裂處位于其與導(dǎo)電軌連接處左邊2個(gè)連接螺栓孔的中心位置，這意味著左邊3根185 mm2型號(hào)電纜的電流無法正常導(dǎo)電到導(dǎo)電軌，只剩下故障接線銅排右邊的1根185 mm2型號(hào)電纜能夠正常導(dǎo)電。

在接線銅排斷裂初期，故障引發(fā)的影響并未立即擴(kuò)大，甚至對(duì)風(fēng)電機(jī)組正常并網(wǎng)發(fā)電的影響不大。這是因?yàn)椋阂环矫妫诘惋L(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率低，定子電流小，甚至小于單根185 mm2型號(hào)電纜的承載電流，此時(shí)，接線銅排斷裂并不會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電；另一方面，當(dāng)接線銅排斷裂部位通過的電流過大，超過其承載電流時(shí)，接線銅排斷裂處會(huì)因發(fā)熱而使電阻增大，接觸面還會(huì)因發(fā)熱而發(fā)生進(jìn)一步氧化，致使發(fā)熱進(jìn)一步加劇，接線銅排導(dǎo)電能力減弱，單根185 mm2型號(hào)電纜承載的電流過大，導(dǎo)致接線銅排斷裂處和連接螺栓燒熔、電纜絕緣膠皮熔化和碳化，甚至還會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電打火的現(xiàn)象。因故障風(fēng)電機(jī)組變頻器的保護(hù)設(shè)計(jì)非常完善，當(dāng)接線銅排斷裂處出現(xiàn)導(dǎo)電打火時(shí)，會(huì)引發(fā)變頻器報(bào)“過流”，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，直接導(dǎo)致變頻器斷路器瞬間斷開，主控報(bào)“變頻器故障”，從而使風(fēng)電機(jī)組和變頻器得到保護(hù)。而風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，本應(yīng)根據(jù)故障信息進(jìn)行修理，但是此故障并未引起現(xiàn)場維修人員的注意。

雖然在上述情況下風(fēng)電機(jī)組存在故障和安全隱患，但此故障中，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，隨著導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)接線銅排斷裂處導(dǎo)電打火的停止，風(fēng)電機(jī)組變頻器故障產(chǎn)生的原因也隨之消除。因此，在主控報(bào)“變頻器故障”且風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，風(fēng)電機(jī)組又能順利復(fù)位并網(wǎng)。

在未消除故障的前提下，風(fēng)電機(jī)組不斷地并網(wǎng)、脫網(wǎng)，左邊連接3根185 mm2型號(hào)電纜的接線銅排輸入端電阻持續(xù)增大，導(dǎo)電能力不斷減弱；接線銅排右邊的1根電纜所需承載的電流也不斷增大，當(dāng)該電流遠(yuǎn)超過電纜的承載能力時(shí)，電纜大量發(fā)熱使絕緣膠皮發(fā)生熔化。在塔筒馬鞍處的定子電纜是用鋼扎帶固定的，在最后一次故障發(fā)生時(shí)，風(fēng)電機(jī)組正處于滿負(fù)荷發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電功率達(dá)1526.86 kW；此時(shí)在電纜重力作用下，熔化膠皮被壓到一邊，定子電纜失去絕緣層的保護(hù)，導(dǎo)致定子電纜與鋼扎帶對(duì)地形成短路，最終造成變頻器定子接觸器L3相粘連，箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，觸發(fā)了主控報(bào)“電網(wǎng)相欠壓”“電網(wǎng)電壓下降”的電網(wǎng)故障，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)過上文分析，針對(duì)本次風(fēng)電機(jī)組故障可以得到以下幾個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)。

1)在風(fēng)電機(jī)組安裝和維護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)定子導(dǎo)電軌接線箱接線銅排兩端絕緣支撐座固定情況的檢查，接線銅排應(yīng)良好地固定在絕緣支撐座上。

2)現(xiàn)場風(fēng)電機(jī)組所報(bào)故障應(yīng)尋根究底，不放過任何一個(gè)故障線索，以免留下潛在故障，并埋下安全隱患。從變頻器及主控的記錄可知：該風(fēng)電機(jī)組在本故障發(fā)生前的近5個(gè)月內(nèi)，主控報(bào)“變頻器故障”達(dá)65次之多。大多是由定子導(dǎo)電軌接線箱內(nèi)打火引發(fā)，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部報(bào)“過流”。但由于現(xiàn)場維修人員未對(duì)該故障進(jìn)行徹查，導(dǎo)致最終出現(xiàn)了定子電纜絕緣膠皮燒熔、箱變低壓側(cè)斷路器跳閘、變頻器定子接觸器粘連這些較為嚴(yán)重的故障。所以，需要加強(qiáng)風(fēng)電場的現(xiàn)場管理，提高現(xiàn)場運(yùn)維人員的技術(shù)水平，在現(xiàn)場處理故障時(shí)，不能輕易放過任何一個(gè)故障線索，以消除潛在的風(fēng)電機(jī)組故障和安全隱患，增加風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3)采取有效措施保證箱變和變頻器保護(hù)功能順利執(zhí)行。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中，可能會(huì)出現(xiàn)定子、轉(zhuǎn)子電纜打火，定子、轉(zhuǎn)子電纜對(duì)地或相間短路等問題，需要變頻器斷路器及時(shí)斷開、箱變跳閘，以保證風(fēng)電機(jī)組及變頻器的安全。在本次事故中，當(dāng)定子導(dǎo)電軌接線箱出現(xiàn)打火故障時(shí)，變頻器能及時(shí)停機(jī)來保證風(fēng)電機(jī)組安全；當(dāng)定子電纜對(duì)地短路時(shí)，箱變和變頻器斷路器迅速跳閘，保護(hù)了風(fēng)電機(jī)組及變頻器的安全，也充分說明了箱變和變頻器保護(hù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要意義[4]。

為充分發(fā)揮箱變及變頻器的保護(hù)作用，保證風(fēng)電機(jī)組及變頻器的安全，需做好以下幾個(gè)方面的工作。①需保證變頻器的采購質(zhì)量和保護(hù)功能的完善，避免重大事故的發(fā)生。②為了保證箱變?cè)诒匾獣r(shí)能自動(dòng)分閘，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)。箱變定期維護(hù)應(yīng)包括：低壓側(cè)斷路器的參數(shù)設(shè)置檢查和自動(dòng)分閘功能測試；高壓側(cè)熔斷器的安裝及跳閘機(jī)構(gòu)的檢查[5]。③保證箱變的低壓側(cè)中性線的良好接地及零序保護(hù)[5]；箱變接地線與變頻器平臺(tái)接地線、定子接地線和轉(zhuǎn)子接地線在風(fēng)電機(jī)組的接地匯集排上良好接地。

4 結(jié)論

本文對(duì)某風(fēng)電場某1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組的定子電纜絕緣膠皮熔化后，定子電纜對(duì)地短路引發(fā)變頻器報(bào)故障，箱變低壓側(cè)斷路器保護(hù)性跳閘，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)這一故障進(jìn)行了分析，并給出了預(yù)防措施。通過分析可知：現(xiàn)場運(yùn)維人員判斷風(fēng)電機(jī)組故障和排除潛在故障的能力，直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和其利用率的提高，還涉及到風(fēng)電機(jī)組的安全隱患能否順利消除。因此，需要加強(qiáng)風(fēng)電場的現(xiàn)場管理，提高現(xiàn)場運(yùn)維人員的技術(shù)水平，使風(fēng)電機(jī)組達(dá)到20年，甚至更長時(shí)間內(nèi)的平準(zhǔn)化度電成本最低。