采用狀態監測和預防性維護策略維護風電機組偏航扭纜開關研究

國能云南新能源有限公司 普聿銘

在高原地區且氣候潮濕的風電場，采用狀態監測和預防性維護策略開展風電機組偏航扭纜開關的維護工作，能夠提前發現和處理偏航扭纜開關存在的隱患和缺陷，可提高偏航扭纜開關的可靠性，對確保風電機組安全性和可靠性有重要意義。本文以某風電場為例，對采用狀態監測和預防性維護策略維護風電機組偏航扭纜開關進行研究。

1 偏航扭纜開關在安全鏈中的作用

1.1 安全鏈的定義與作用

安全鏈是風力發電機組中的重要保護系統，其是確保風機在各種情況下都能安全穩定運行的關鍵措施[1]。安全鏈的定義可以概括為：一種通過串聯多個可能對風力發電機組造成嚴重損害的故障節點，以實現機組故障時的緊急停機保護的系統，安全鏈的各個節點共同構成了風機的安全防線。安全鏈能夠實時監測風機的運行狀態，一旦檢測到可能危及機組安全的故障或狀態，如風力發電機組超速、振動超限、變槳安全鏈斷開、變流器安全鏈斷開、偏航安全鏈斷開、PLC急停等，安全鏈會立即觸發緊急停機程序，使機組迅速脫網并停止運行，避免故障進一步擴大，保證機組的安全。

1.2 偏航扭纜開關在安全鏈中的作用

偏航扭纜開關的主要功能是在風電機組運行過程中，監測機組的偏航位置和電纜的扭轉程度。當機組偏航到一定角度使電纜扭轉超過設定值時，偏航扭纜開關會觸發安全鏈動作，使機組緊急停機，避免電纜過度扭轉造成損傷。在風電場的實際運行中，由于風向的不確定性和機組偏航系統的誤差，機組有時會發生偏航不到位或過度偏航的情況。此時，如果沒有偏航扭纜開關的保護作用，電纜可能會因過度扭轉使電纜絕緣受損，造成接地或短路，進而引發嚴重的設備故障和安全事故。而有了偏航扭纜開關的保護，一旦風機偏航角度超過設定值時，偏航扭纜開關內的偏航安全鏈觸點會動作，斷開偏航安全鏈，使機組停機并鎖定偏航系統，避免事故的發生。

2 UP2000-121S型風機扭纜開關整定方法及定值選擇

某風電場UP2000-121S型風電機組屬于灑谷風電場的一期工程，位于云南省羅平縣馬街鎮西側的臺地與上臘戈村以北的山脊之上，一期工程風電機組的海拔在2200m至2450m之間。風電場采用UP2000-121S型風電機組，其扭纜開關整定方法及定值選擇如下。

2.1 UP2000-121S型風機的基本參數與特點

UP2000-121S風電機組的額定功率為2000kW，掃風面積在同類型機組中較大，這使得其在低風速區域具有更高的發電效率。該機組在年平均風速為5m/s的條件下，年等效利用小時數可達2000h，表現出良好的發電性能和經濟可靠性[2]。UP2000-121S型風機采用了平臺化設計和整機葉片集成一體化設計，通過應用最優能量捕獲技術和降載控制技術等創新技術，進一步提高機組的發電效率。UP2000-121S風電機組已經完成了批量安裝，并通過了中國船級社產品型式認證，證明了其在實際應用中的穩定性。

2.2 偏航扭纜開關整定方法的選擇與實施

偏航扭纜開關能夠監測機組偏航時的電纜扭轉狀態，并在必要時觸發安全保護動作。在選擇偏航扭纜開關整定方法時，應首先考慮整定的準確性，使用傳統的旋轉扭纜開關數圈數的方法，存在一定誤差，而通過觀察扭纜開關的編碼器，在風機監控上的度數顯示相應的旋轉扭纜開關，不僅可以精確地對扭纜開關進行整定，也能同時驗證扭纜開關的左、右偏航極限位置，以及左、右偏航安全鏈位置的設置是否發生了偏移，同時還能檢測偏航安全鏈回路和信號是否正確。

2.3 偏航極限位置定值和偏航安全鏈位置定值的選擇

對于UP2000-121S型風機，在進行偏航極限位置角度定值和偏航安全鏈位置角度定值選擇時，第一應能保證風電機組機艙偏航到該角度位置時，通過偏航平臺的電纜不發生因扭轉受損的情況，與通過偏航平臺至塔筒的電纜裕量相匹配，而且還應留有足夠的安全余量；第二應確保風電機組能順利地在360°范圍內捕獲風能；第三能成功地避開風電機組自動解纜設定的角度，且偏航極限位置角度定值和偏航安全鏈位置角度定值的數值不能過分接近，即｜自動解纜角度定值｜<｜偏航極限位置角度定值｜<｜偏航安全鏈位置角度定值｜。基于這三點考慮，某風電場的UP2000-121S型風電機組的偏航極限位置角度定值=±680°，偏航安全鏈位置角度定值=±720°。從2020年5月，風電場的UP2000-121S型風電機組投產至今的運行情況表明，偏航極限位置角度定值和偏航安全鏈位置角度定值的選擇合理，能滿足機組安全穩定運行。

3 某風電場UP2000-121S型風電機組偏航安全鏈故障的檢測與處理

3.1 主控PLC對偏航安全鏈故障的檢測過程

從圖1中可以看出，當UP2000-121S型風電機組扭纜開關的左（右）偏航安全鏈觸點斷開時，輸入到安全繼電器456A2的I8（I9）口的24VDC信號中斷，緊接著安全繼電器456A2的O2口中斷對偏航系統335K2接觸器線圈的24VDC供電輸出，從而阻斷對控制左（右）偏航的接觸器334K1（334K2）線圈的供電，使風電機組不能偏航，與此同時安全繼電器456A2的O0口和O1口也中斷24VDC供電輸出，其中O0口中斷對變槳安全鏈系統接觸器335K1線圈的24VDC供電輸出，斷開變槳安全鏈；O1口中斷對變流器安全鏈系統接觸器15K6線圈的24VDC供電輸出，斷開變流器安全鏈。

圖1 UP2000-121S機組偏航安全鏈原理圖

但為了現場人員更方便地了解是左偏航安全鏈故障還是右偏航安全鏈故障，在安全繼電器456A2的擴展模塊456A7上，對應左偏航安全鏈故障的OA5口中斷至主控系統DIO248模塊3通道的24VDC輸出，或對應右偏航安全鏈故障的OA6口中斷至主控系統DIO248模塊4通道的24VDC輸出，使風機主控報出“左偏航安全鏈故障”或“右偏航安全鏈故障”，同時擴展模塊456A7上OA8口也中斷對主控系統DIO248模塊8通道的24VDC輸出，使主控PLC報出偏航層級安全鏈故障。

3.2 扭纜開關的測試

在2022年8月6日開展的某風電場SG20號風機（機型為UP2000-121S）年度維護過程中，現場工作人員對SG20號風機的扭纜開關進行了測試，主控PLC對偏航安全鏈故障檢測的報文信息見某風電場SG20號風機偏航安全鏈測試記錄表。從該表中可以看出SG20號風機偏航扭纜開關整定正確，主控PLC可以根據偏航扭纜開關和安全繼電器的反饋，準確地檢測偏航安全鏈故障，符合廠家的設計要求。測試結果詳見表1。

表1 SG20號風機偏航安全鏈測試記錄表

3.3 偏航安全鏈故障或異常的檢查處理策略

UP2000-121S型風電機組發生偏航安全鏈故障后，應按照如下步驟進行檢查處理：檢查確認安全繼電器456A2及其擴展模塊456A7是否正常；檢查確認偏航編碼器及其信號輸入模塊ISI222是否正常，該步驟應結合偏航位置角度的數據分析進行；檢查確認DIO248模塊是否正常；檢查確認偏航扭纜開關的24VDC供電是否正常；檢查確認偏航扭纜開關的整定和機械轉動是否正常。在根據以上步驟的檢查情況消除偏航安全鏈故障后，還應檢查偏航平臺的電纜及其保護套是否受損，若有受損情況，必須嚴格按照廠家要求進行處理。

4 某風電場UP2000-121S型風機扭纜開關狀態監測與預防性維護的實施

4.1 某風電場的氣候特點及對扭纜開關的影響

某風電場屬于高原季風氣候，夏季受暖濕氣流影響，多大雨；冬季受昆明靜止鋒控制，常陰雨連綿，全年的濕度較大，這就使得風電機組的運行環境較差，并且風電機組在運行過程中會發生搖晃和振動，扭纜開關在這種環境中的可靠性也會受到影響，整定的角度值也會發生偏移[3]。

4.2 狀態監測與預防性維護的實施

在傳統運維模式中，風電機組的偏航扭纜開關等安全鏈組件主要通過定期巡檢來確保其正常運行。一旦發現故障，維修人員會進行故障后維修，更換損壞的部件以恢復機組的正常運行。這種策略的優點是實施簡單易行。然而，其缺點也較為明顯：一是無法及時發現潛在故障，可能導致安全事故的發生；二是維修成本較高，因為需要更換損壞的部件；三是機組的運行效率和安全性受到較大影響。

因此，在2022年某風電場根據現場實際采用了狀態監測和預防性維護策略，來確保一期UP2000-121S型風機扭纜開關能夠保持良好狀態，其中通過定期分析UP2000-121S型風電機組的偏航歷史數據、歷史故障信息來實現狀態檢測；預防性維護則是根據狀態檢測的結果，在發生不可復位停機前，選擇小風（通常風速＜4m/s）時段對扭纜開關進行檢查，并及時更換有缺陷的偏航扭纜開關，盡可能減少停機造成的電量損失；在風機年度維護階段，則是開展UP2000-121S型風電機組的偏航扭纜開關測試，做到對缺陷和隱患提早發現和消除。

5 效果和結論

效果：某風電場在2022年通過采用狀態監測和預防性維護策略，開展了對UP2000-121S型風電機組的偏航扭纜開關的維護工作，及時發現并消除了偏航扭纜開關存在的隱患和缺陷，從2022年9月1日至2023年12月31日結束，某風電場的UP2000-121S型風電機組，未發生過因偏航扭纜開關有缺陷引發的故障停機，而在2021年1月至2022年4月，風電場發生了12次因偏航扭纜開關存在缺陷引發的故障。

結論：某風電場根據現場實際，采用狀態監測和預防性維護策略，來使UP2000-121S型風電機組偏航扭纜開關保持良好狀態的工作取得了預期效果，提高了偏航扭纜開關的可靠性，對確保風電機組安全性和可靠性有重要意義。