風力發電機組偏航減速器故障分析與處理

袁政YUAN Zheng

（廣西國能能源發展有限公司，南寧 530007）

0 引言

風力發電機組偏航系統的主要作用為根據風向的變化，旋轉機艙和葉輪，使葉輪正對風向，以便使葉輪獲得最大的風能用于發電。對風的過程就是通過偏航系統的4 個電機同時旋轉經偏航減速器最終帶動機艙和葉輪旋轉。

某風電場2020 年安裝32 臺單機容量2.5MW 的風電機組，風電場位于海拔300-500 米的高山上，高山沿東西向條狀分布，風電機組沿山脊一字分布。每臺機組安裝4臺偏航減速器，用于機組捕捉最佳風向。風機自投產以來，未發生偏航減速器損壞的情況，本次偏航減速器損壞為該風電場首次發生，且為同一臺機組全部4 個偏航減速器損壞，為避免再次發生類似情況，對本次偏航減速器故障進行了詳細的分析。

1 故障發生過程

2023 年7 月18 日，18 號機組報出右偏航反饋故障停機，現場運維人員登機檢查發現機組4 個偏航減速器漏油，初步檢查發現雙臂行星架開裂，行星輪卡滯。查詢風機告警系統，18 號風機在發生偏航減速器故障前多次報偏航電磁剎車磨損預警。

2 故障分析

2.1 故障前機組風況

機組發生偏航減速器故障前風電場正處于臺風過境時期，故障前一天，風速較大，風向變化較快，機組頻繁觸發湍流工況。查詢機組警告情況，故障前一天出現了偏航減速器電磁制動器磨損警告，偏航系統在故障前出現頻繁偏航，電磁制動器在臺風期間磨損較大。

2.2 機組故障數據分析

機組發生右偏航反饋丟失故障前機艙位移變化、偏航情況和風況如圖1、圖2 所示。

圖1 失效偏航使能和機艙位移

圖2 故障前后風況及偏航情況

發生故障前，機組下發兩次右偏航命令。第一次整個偏航過程中根據機艙角度變化和偏航時間計算平均偏航速度為0.28deg/s，偏航速度正常，但第一次偏航停止前約8 秒，出現憋轉情況，從風況看憋轉是風向突變造成的。第一次偏航結束后隨風向變化，10 秒內機艙向左被快速拖行近60°，反算輸入端轉速接近10000rpm。右偏航反饋丟失故障觸發前18 秒，主控根據對風情況下發右偏航命令，至故障前4 秒偏航使能信號消失，隨之報出反饋丟失故障，可以判斷使能信號的消失是由于跳閘導致的。觀察偏航間隙和第二次偏航機艙位移情況，可以發現機艙位移角度和風向變化基本一致，所以判斷第二次偏航時機艙位置變化是風況造成，而不是機組驅動。

綜上，在機組第一次偏航過程中發生憋轉時減速器行星架已經發生了開裂，第一次偏航結束后的機艙被動拖行是減速器行星架失效造成的，然后在后續的隨風向滑移中造成卡滯[1]。

2.3 失效減速器的拆解

對機組失效的4 個減速器進行拆解，發現四級行星架開裂，行星架花鍵嚙合齒變形，如圖3 所示。

圖3 行星架損壞情況

雙臂行星架斷面整體無明顯塑性變形，呈現解理斷裂形貌，韌斷區均處于軸孔處，目測斷面無明顯鑄造缺陷，斷裂模式符合該類材料過載斷裂特征，如圖4 所示。

圖4 行星架斷面形貌

從拆解情況看，機組偏航過程中憋轉和最終跳閘的原因為減速器行星架開裂及齒輪卡滯造成，雙臂行星架開裂為過載工況造成，與數據分析一致。

2.4 偏航剎車卡鉗受力分析

采用電機經減速器減速后驅動偏航系統時，為避免風向不穩定造成偏航齒輪出現交變載荷，使用偏航剎車卡鉗半剎來抵消微小的偏轉震蕩，防止偏航齒輪的交變應力造成齒輪過早失效，使得風機偏航平穩，當偏航結束后，偏航剎車卡鉗全剎可靠鎖緊剎車盤，防止機艙隨風轉動。

偏航剎車卡鉗夾緊力為：

F=nPS

偏航剎車卡鉗制動力：

f=μF

其中：n 為偏航剎車鉗數量；P 為液壓站系統正常壓力；S 為剎車鉗缸體底面積；μ 為摩擦系數。

當偏航剎車卡鉗力一定時，制動力與摩擦系數成正比，風機偏航剎車盤和剎車片摩擦材料的摩擦系數約為0.35~0.4，但在實際運行中，摩擦片的磨屑、粉塵、銹跡在高溫高壓的作用下，形成硬質層，摩擦系數降低，導致偏航制剎車卡鉗制動力下降，并伴有偏航異響及偏航振動。在大風偏航過程中，容易出現“被動偏航”的現象[2]。

2.5 微觀地形

根據風機安裝位置，17-19 號風機沿山脊分布，3 臺風機水平及垂直方向均成呈凹形分布，18 號風機位于凹處，如圖5 所示。查詢風電場單機發電量情況及風速情況，17、19 號風機為風電場平均風速和發電量最高的兩臺風機，18 號風機發電量則相差較大。根據實際觀察，18 號風機處于凹處，風從前面爬坡上來后再受兩邊山峰影響，形成湍流，葉輪受力多變，這與數據分析發現故障前臺風期間平分出發湍流工況一致。

圖5 18 號風機地形（左圖：水平剖面；右圖：縱向剖面）

2.6 減速器失效原因分析

根據前面分析可以知道，故障時刻持續的偏航使能輸入，使得偏航電機持續工作，而臺風期間與地形造成的過大湍流加之劇烈的側向風使得偏航系統過載，這種情況下使得整個減速器內部呈現高應力的僵直狀態，由于減速器力矩放大的特性，最后一級的輸出軸、行星輪和行星架載荷最大，其內應力也最高[3]，當風速突然轉變時隨著機艙的偏轉會有反向載荷施加到減速器上，會大大增加減速器內部零件的應力幅值。同時在偏航系統無法轉動情況下，減速器輸出軸還會受到額外的橫向彎矩作用，輸出軸彎矩會直接傳遞到行星架和軸系上。

3 故障原因

臺風過境時疊加風機微觀地形出現惡劣風況造成機組偏航系統頻繁過載，電磁制動器磨損過大。

機組第一次偏航結束后機艙的被動偏轉因與電磁制動器過度磨損后制動力下降有關。

減速器雙臂行星架開裂是在過載工況下受過高交變應力載荷和額外彎矩影響造成的。

根據機組數據判斷在第一次偏航過程中憋轉時減速器雙臂行星架已經開裂，輸出軸花鍵變形的減速器先開裂，在后續機艙被動拖動過程中，極高的被動旋轉的突然變向造成其余減速器失效。

4 防范措施

4.1 機組運維

偏航電機電磁制動器的制動力矩是葉輪和機艙駐車力矩的重要組成部分，現場需要加強對電磁制動器的維護工作，報出磨損警告后基本可以確定存在制動力矩的減弱，現場要及時干預處理，對電磁剎車進行工作間隙調整，同時電磁制動器閘片厚度不夠時要及時進行更換。在極端天氣發生前建議現場針對風況較差的機組的關鍵零部件進行預防性排查和維護。

4.2 硬件維護

當機組發生偏航使能信號異常、偏航電流異常等故障時，需要及時按專項檢查表對偏航減速器進行檢查，發生異常及時處理。增加偏航剎車卡鉗，以提高偏航剎車制動力。

4.3 軟件優化

現場需要注意保持霍爾保護功能開啟，可以在大湍流風況下正確識別到機組過載情況，必要時觸發保護性停機，從而降低減速器失效幾率。通過優化控制程序，加大偏航啟動的風向角度，減少頻繁偏航動作。

5 結論

本文從風機運行數據、減速器失效形式、制動力、微觀地形等方面，分析了機組4 臺減速器同時損壞的原因，主要為電磁制動器磨損制動力下降后疊加惡劣風況導致減速器受力過大失效損壞。風電機組運行情況復雜，應在長期運行中總結各臺機組的運行情況，對出現典型故障的機組進行專項分析并采取針對性措施，保障機組安全穩定運行。