某陸上風電場風電機組高速軸轉(zhuǎn)速不匹配故障分析

陳朝暉 關建越 張祎 項靈文 盛超磊 鄒孝涵

摘要：在電力生產(chǎn)運行中， 由于氣候、部件損壞原因等造成風電機組故障停機的事故時有發(fā)生， 給電力企業(yè)安全生產(chǎn)造成不同程度的影響。本文介紹了一起某陸上風電場風電機組由于齒輪箱高速軸定位環(huán)磨損造成了風電機組故障停機的事故。實際監(jiān)盤中，由于輕視、誤判等原因均有可能導致齒輪箱高速軸磨損加劇，因此在平日值班監(jiān)盤時，運維人員應多關注振動系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)以及風電機組各個部位溫度異常情況，提前發(fā)現(xiàn)問題及時消除隱患。

關鍵詞：高速軸竄軸;溫度;振動

1.事故前的運行方式

該風電場共有35kV集電線路2條，東線3221共安裝1.5MW風電機組12臺（#1-#12號），西線3222安裝同類型風電機組11臺（#13-#23），每臺風電機組配備箱變1臺。事故發(fā)生前風電機組處于正常發(fā)電狀態(tài)，風速為8.5m/s，輸出功率為1094kW。

事件經(jīng)過

2020年09月11日01：46分，風電場23臺風電機組處于正常發(fā)電狀態(tài)，場內(nèi)平均風速7.3m/s，#4機組風速為8.5m/s。隨著晚間風速上升，風電機組出力增加，#4機組報高速軸轉(zhuǎn)速不匹配故障，狀態(tài)碼5930，運維值班員發(fā)現(xiàn)故障后立刻登錄風電機組后臺軟件查看風電機組運行情況，發(fā)現(xiàn)后臺故障只有高速軸轉(zhuǎn)速不匹配故障，并無其它故障，且后臺顯示高速軸軸承溫度為62.2degC，屬于正常范圍，初步判斷可能屬于高速軸轉(zhuǎn)速接近開關松動導致故障誤報，于01：49分將風電機組恢復運行，繼續(xù)觀察風電機組運行情況，01：56分風電機組再次報出高速軸轉(zhuǎn)速不匹配故障，后臺顯示高速軸軸承溫度正常，運維人員再次復位以此觀察運行時的發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及高速軸轉(zhuǎn)速，均保持平穩(wěn)，并無明顯跳動，02：01分再次報出此故障后，運維人員將風電機組停機，等待明日上塔處理。

3.故障原因分析

故障觸發(fā)條件：[高速軸轉(zhuǎn)速不匹配檢測周期]內(nèi)平均高速軸轉(zhuǎn)速誤差（=高速軸轉(zhuǎn)速（From pickup）-|發(fā)電機轉(zhuǎn)速（From Pcs）|）>[高速軸轉(zhuǎn)速不匹配允許值]。

后臺獲取故障數(shù)據(jù)得到高速軸轉(zhuǎn)速與發(fā)電機轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)在01：46分時高速軸轉(zhuǎn)速非常不穩(wěn)定。高速軸轉(zhuǎn)速瞬時值為1690.767 rpm，發(fā)電機轉(zhuǎn)速瞬時值為1787.880 rpm。可以求得：

平均高速軸轉(zhuǎn)速誤差=|高速軸轉(zhuǎn)速-發(fā)電機轉(zhuǎn)速|(zhì)

平均高速軸轉(zhuǎn)速誤差=|1690.767-1787.88|=97.113 rpm

而后臺高速軸轉(zhuǎn)速不匹配允許值為75 rpm， 可以得知平均高速軸轉(zhuǎn)速誤差>高速軸轉(zhuǎn)速不匹配允許值，故風電機組快速停機并報出“高速軸不匹配”故障。

故障發(fā)生時，僅報出高速軸不匹配故障，并無其它故障報出，綜合以上，判斷出原因無非有以下幾點：

1.高速軸接近開關松動或失效;

2.發(fā)電機編碼器損壞或接線松動;

3.齒輪箱高速軸內(nèi)部故障。

4.故障處理

運維人員于上塔檢查，發(fā)現(xiàn)高速軸軸承端蓋位置處出現(xiàn)高溫脫漆現(xiàn)象（圖1），初步判斷是風電機組運行時，齒輪箱高速軸定位環(huán)磨損嚴重，導致高速軸竄軸，軸承蓋高溫脫漆（如下圖所示），齒輪箱高速軸接近開關回路及發(fā)電機編碼器回路都正常。

在確保風電機組安全的情況下，運維人員采取限制機組功率的方法，以低功率繼續(xù)運行發(fā)電，聯(lián)系齒輪箱廠家盡快入場更換齒輪箱高速軸及其軸承。

5.暴露問題及改進建議

5.1暴露問題

（1） 從圖1可以看出故障發(fā)生時高速軸軸承端蓋位置處出現(xiàn)高溫脫漆現(xiàn)象，但是從后臺獲取的齒輪箱高速軸軸承溫度瞬時值波形圖可以發(fā)現(xiàn)齒輪箱高速軸軸承溫度均在65℃附近，無明顯異常，齒輪箱高速軸電機側(cè)軸承溫度過溫報警值為90℃，檢測溫度達不到報警值。

（2） 振動系統(tǒng)在齒輪箱高速軸方面的振動監(jiān)測只有徑向監(jiān)測點，并無軸向監(jiān)測，高速軸竄動屬于軸向竄動，振動系統(tǒng)后臺并無告警信息。

5.2改進建議

（1） 該位置的溫度傳感器（圖2）無法有效監(jiān)測到高速軸軸承靠近發(fā)電機一側(cè)的后部分溫度，建議在易發(fā)生故障的位置處增加一個溫度傳感器，并將此數(shù)據(jù)傳回到主控系統(tǒng)，后臺設置高溫報警以及高溫停機參數(shù)。

（2）建議應增加齒輪箱高速軸軸向振動監(jiān)測點，再發(fā)生此類故障時，運維人員便可以第一時間判斷出是否屬于高速軸竄軸或是其它故障。

6.結(jié)論

（1）判斷此類風電機組故障首先要了解故障的基本信息，收集與故障相關的數(shù)據(jù)，通過故障解析軟件進行分析，再到現(xiàn)場進行排查、檢驗、測試，按照排故手冊或指導書進行處理。

（2）在平日值班監(jiān)盤時，運維人員應多關注振動系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)，是否有異常情況，在大風天氣時，應多關注風電機組各個部位溫度情況，關注發(fā)電機轉(zhuǎn)速與高速軸轉(zhuǎn)速是否存在跳變情況。

（3）發(fā)現(xiàn)問題，改正問題，若發(fā)現(xiàn)機組存在缺陷應及時提出技改方案，使風電機組智能保護監(jiān)測系統(tǒng)更加完善。