一種風電機組齒輪箱潤滑故障分析思路

劉金鹿 李揚

[摘? ? 要]? 大兆瓦風電機組結構復雜，涉及專業(yè)領域較多，往往某一部件出現(xiàn)問題，故障卻在其他部件上表現(xiàn)出來。對于這類故障定位難度大，短時間內(nèi)僅從故障部件出發(fā)，很難發(fā)現(xiàn)真正的問題所在，造成頻繁停機，嚴重影響機組發(fā)電量。因此，快速定位故障原因，成為解決問題的關鍵。本文結合具體案例，提供了一種風電機組齒輪箱潤滑故障的問題分析思路。

[關鍵詞]齒輪箱;潤滑故障;風電機組

[中圖分類號]TM315 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

A Thinking of Analysis of Lubrication Failure of Wind Turbine Gearbox

Liu Jin-lu，Li Yang

[Abstract]The structure of large wind turbine is complex and involves many professional fields. Problems often occur in one component， but the faults are shown in other components. It is difficult to locate such faults and find the real problem only from the faulty parts in a short time， resulting in frequent shutdown and seriously affecting the power generation of the unit. Therefore， quickly locating the cause of fault has become the key to solve the problem. Combined with specific cases， this paper provides a problem analysis idea of gearbox lubrication system failure of wind turbine.

[Keywords]gearbox; lubrication system failure;wind turbine

隨著新技術、新思路在大兆瓦級風力發(fā)電機組的不斷使用，故障也多有發(fā)生。由于風電機組涉及多學科、跨專業(yè)知識，往往在出現(xiàn)新問題后，檢修人員由于技術知識的單一性，長時間無法確認故障根本原因，僅通過不斷更換部件或讓機組限功率運行的方式來降低問題出現(xiàn)的頻次，嚴重影響業(yè)主方的發(fā)電量。因此，快速定位故障原因成為處理該類問題的關鍵。以下結合一起齒輪箱潤滑系統(tǒng)故障的具體案例，對該類問題進行分析。

1 問題概述

某項目使用的2.XMW系列雙饋風電機組，在并網(wǎng)后的首次大風天多臺機組運行中突然出現(xiàn)脫網(wǎng)?，F(xiàn)場檢查機組報警信息，發(fā)現(xiàn)機組報齒輪箱潤滑入口壓力超限故障。

經(jīng)查，該風場使用的是同一廠家2.XMW系列機組，含A、B、C 3種機型。維護人員發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)顯示故障發(fā)生時齒輪箱潤滑入口壓力在1 MPa左右，屬于正常狀態(tài)，與機艙內(nèi)實際觀察的油壓值相同;發(fā)生故障的均為C型機組。

2 故障排查分析

2.1 故障觸發(fā)因素分析

根據(jù)現(xiàn)場提供的故障描述情況分析，分析認為引起該問題的可能原因包括：①通訊故障。齒輪箱的壓力傳感器測量值與SCADA顯示的主控系統(tǒng)接收值存在偏差。②油路故障。齒輪箱潤滑泵出口壓力值真實超限（油路堵塞、濾芯堵塞等）。③油壓傳感器損壞。油壓傳感器元件故障，測量數(shù)據(jù)不準確。④主控系統(tǒng)程序問題。主控系統(tǒng)程序進行更新后，導致誤報警。⑤機組接線問題?，F(xiàn)場故障機組接線與電氣圖紙存在差異，接線錯誤。

根據(jù)首次故障以來，現(xiàn)場進行的相關處理情況、采取的措施后的機組狀態(tài)等實際情況，對可能的故障原因逐一排查。

2.2 齒輪箱潤滑系統(tǒng)檢測

機組故障最初發(fā)生時，現(xiàn)場人員上塔檢測，發(fā)現(xiàn)報出該故障的機組中，齒輪箱潤滑入口壓力傳感器顯示值與主控系統(tǒng)顯示值均在1 MPa左右，油壓屬于的正常范圍?？赡茉颌倥懦?/p>

隨機抽取一臺出現(xiàn)同類問題的機組進行更換濾芯處理，并進行機械方面檢查（包括傳感器、油路等），確認硬件方面無問題。但次日大風時，該機組仍報出“齒輪箱潤滑入口油壓超限”故障?？赡茉颌?、③排除。

基于以上事實可判斷，該類問題并非壓力值實際超限，齒輪箱中與該故障相關的部件（潤滑泵、濾芯、油路等）無問題。

2.3 主控系統(tǒng)程序排查

從主控程序角度分析，現(xiàn)場機組程序雖然更新過，但僅更新自動控制風速儀風向標加熱器，其余部分不變。更新程序引起該故障的可能性較小?？赡茉颌芘懦?。

2.4 機組接線排查

現(xiàn)場在核對圖紙版本無誤后，對照圖紙，對故障機組機艙柜、齒輪箱、發(fā)電機、主控PLC個模塊接線逐一排查。排查中發(fā)現(xiàn)：①PLC上各部件接線與電氣圖紙要求相同，無漏接、錯接現(xiàn)象。②齒輪箱潤滑泵出口（齒輪箱潤滑入口）壓力傳感器、發(fā)電機繞組溫度檢測傳感器都接在機艙柜PLC的PTAI216模塊上。③發(fā)電機繞組測溫元件Pt100屏蔽層未在發(fā)電機出線盒內(nèi)做接地處理。

2.5 現(xiàn)場整改調(diào)試

針對接線排查中出現(xiàn)的問題，現(xiàn)場立即對一臺故障機組進行如下整改。

（1）上塔更換PLC模塊卡件PTAI216后，機組齒輪箱潤滑泵出口壓力值仍跳變頻繁，報出故障。

（2）將發(fā)電機繞組測溫元件Pt100的屏蔽層用導線連接后，接入發(fā)電機輔助出線盒接地（PE）端子上，起機觀察：機組運行正常，齒輪箱潤滑泵出口壓力值、偏航剎車半泄壓力值跳變情況出現(xiàn)了明顯好轉，風機未報故障。

（3）為進一步確認，對產(chǎn)生該問題、未進行整改的一臺機組齒輪箱潤滑泵出口壓力值進行數(shù)據(jù)采樣，如圖1所示。

（4）采集現(xiàn)場故障機組的齒輪箱潤滑泵出口壓力值（齒輪箱潤滑入口壓力）等數(shù)據(jù)后進行分析。從圖1來看，齒輪箱潤滑入口油壓存在很大的波動，最大值甚至超過了15 MPa，從而導致了風機停機。然而，正常報警壓力為大于1.5 MPa，實際壓力值不可能達到15 Mpa，顯然為壓力信號受到干擾后產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)。基于以上事實可判斷，可能原因⑤不能排除，應進一步深入分析。

3 故障原因分析

對現(xiàn)場采集的故障機組齒輪箱潤滑泵出口壓力值數(shù)據(jù)分析后，認為潤滑壓力波動速度太快，不符合潤滑系統(tǒng)液體流動規(guī)律。因此，潤滑系統(tǒng)實際并未波動，而是潤滑液壓力信號收到干擾所致。該問題看似是齒輪箱相關附屬系統(tǒng)故障，實則為機組電氣系統(tǒng)信號問題，與齒輪箱并無關系。

由于齒輪箱潤滑入口壓力測量信號線是接在PLC的PTAI216模塊上的。因此，有可能是該模塊上有其他信號擾動造成此類問題。查看電氣圖紙，發(fā)現(xiàn)PLC的PTAI216模塊所接信號見表1。

該模塊上除發(fā)電機繞組溫度元件是緊靠發(fā)電機定子繞組，有可能接觸諧波信號，其余元件所處位置附近均無諧波干擾源。發(fā)電機繞組測溫元件的信號線屏蔽層未接地，使發(fā)電機定子繞組內(nèi)部諧波通過測溫元件信號線屏蔽層傳遞給PLC模塊。

PLC對齒輪箱潤滑泵出口壓力的測量，檢測的是電流信號。如諧波電流疊加在原有測量信號電流波形上，會導致測量波形中出現(xiàn)大量的“毛刺”。

此外，由于發(fā)電機繞組諧波含量是隨著發(fā)電機功率增大而增加的，機組在大風滿發(fā)狀態(tài)時，產(chǎn)生諧波的含量較大，更容易觸發(fā)誤報警?，F(xiàn)場對機組滿發(fā)狀態(tài)下偏航剎車壓力信號進行采集，也同樣發(fā)現(xiàn)存在信號受干擾的問題，如圖2所示。這也從另一角度印證了諧波干擾源的存在。

4 現(xiàn)場整改及驗證

4.1 整改措施

經(jīng)查閱記錄，現(xiàn)場A、B、C 3種機型中，前兩種為早期機型，發(fā)電機繞組測溫元件并未加裝屏蔽層。由于發(fā)電機測溫元件引線在發(fā)電機制造過程中容易發(fā)生斷線，故電機廠家在新產(chǎn)品中采用了帶鎧裝金屬屏蔽層的測溫元件。針對該問題，整改措施為：將發(fā)電機繞組測溫元件Pt100屏蔽線用導線連接后，在出線盒內(nèi)統(tǒng)一進行接地處理，接到PE端子排上。

4.2 驗證

為驗證整改方案的有效性，現(xiàn)場機組分別采集整改前和整改后的機組齒箱潤滑泵出口壓力進行數(shù)據(jù)采集，對比結果如圖3所示。

由圖3中曲線可知，在發(fā)電機繞組屏蔽層接地前，齒箱潤滑泵出口壓力波動很大，而發(fā)電機繞組屏蔽層接地后，齒箱潤滑泵出口壓力幅值明顯減小。

5 結束語

針對某風電場一起由發(fā)動機繞組諧波引發(fā)的齒輪箱潤滑系統(tǒng)油壓超限故障，采用理論分析與現(xiàn)場排查相結合的方式，通過逐一排除的方法，將看似為齒輪箱附屬系統(tǒng)故障的原因定位在發(fā)電機繞組測溫元件屏蔽線接地上。最終通過整改前后對比，驗證了故障定位的正確性。本文通過結合實際故障案例的分析，為后續(xù)風電機組故障處理，提供了一種分析思路。

參考文獻

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