兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組安全鏈的設(shè)計

姜宇龍

北京市石景山醫(yī)院，北京 100000

0 引言

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組主控制器功能失效，且出現(xiàn)內(nèi)外部故障或發(fā)生危險事件時，軟件已無法起到保護作用。此時，安全鏈發(fā)揮硬件保護作用，保護功能可保持機組處于安全狀態(tài)。保護功能的激活條件應(yīng)以不超過設(shè)計極限為標準，安全鏈保護功能具有比軟件控制功能更高的優(yōu)先級，安全鏈內(nèi)部根據(jù)不同設(shè)計條件分為若干優(yōu)先級。安全鏈是最后一級保護措施，采用反邏輯設(shè)計，一旦其中一個動作，將引起相應(yīng)級別的緊急停機反應(yīng)[1]。

1 安全鏈的作用機制

安全鏈是將可能對風(fēng)力發(fā)電機組造成致命傷害的故障作為串入安全鏈回路，通常采用“失效-安全”的原則，即信號“1”為正常狀態(tài)。安全鏈的輸出將控制機組執(zhí)行相應(yīng)的安全動作，從而最大限度地保證機組的安全。當(dāng)安全鏈斷開后，必須通過區(qū)別于常規(guī)故障復(fù)位的安全鏈復(fù)位，使安全鏈恢復(fù)正常，才能讓機組再次起機運行。

2 安全鏈的分級設(shè)計

安全鏈系統(tǒng)保護根據(jù)故障的嚴重程度采用分級設(shè)計，由高至低分為三級：第一級手動緊急停機，第二級故障緊急停機和第三級安全停機。

2.1 一級安全鏈

一級安全鏈優(yōu)先級最高，通過操作機艙和塔底的急停按鈕，達到緊急停機、保護機組的目的，當(dāng)一級安全鏈斷開時，二級安全鏈和三級安全鏈全部斷開。

一級安全鏈由K23.0（安全鏈繼電器）、SB23.2（機艙急停按鈕）、SB13.5（塔底急停按鈕）、K17.5（安全鏈延時閉合/斷開時間繼電器）、K24.4（安全鏈急停復(fù)位繼電器）、SB24.3（機艙急停復(fù)位按鈕）、SB13.4（塔底急停復(fù)位按鈕）、SB15.3（維護開關(guān)）組成。

一級安全鏈工作原理如圖1～圖3所示。

圖1 一級安全鏈工作原理圖（a）

圖3 一級安全鏈工作原理圖（c）

機組上電前，檢查SB23.2、SB13.5、SB15.3是否為閉合狀態(tài)，確認閉合后上電，K17.5線圈得電，K17.5的常開觸點延時閉合，K23.0的Reset/Start回路（S33-S34）產(chǎn)生上升沿脈沖，K23.0的輸出常開觸點K1、K2閉合，一級安全鏈閉合并接通主回路（KM17.1、KM17.2線圈得電）。

圖2 一級安全鏈工作原理圖（b）

當(dāng)機組遇到未知故障需緊急停機時，可手動斷開SB23.2或SB13.5，則K23.0的 輸 入 回 路（S11-S12、S21-S22）斷開，K23.0的輸出常開觸點K1、K2斷開，一級安全鏈斷開并斷開主回路。

當(dāng)機組處理完當(dāng)前故障，需重新閉合一級安全鏈并接通主回路時，需重新閉合SB23.2或SB13.5，并按下SB24.3或SB13.4，則K24.4線圈得電，K24.4常開觸點閉合，K23.0的Reset/Start回路（S33-S34）產(chǎn)生上升沿脈沖，K23.0的輸出常開觸點K1、K2閉合，一級安全鏈閉合并接通主回路。

K23.0的輸出會反饋給主控制器，實時反饋一級安全鏈閉合狀態(tài)。

2.2 二級安全鏈

二級安全鏈優(yōu)先級低于一級安全鏈，安全鏈回路中包括了振動開關(guān)和超速開關(guān)，確保風(fēng)機在正常振動范圍內(nèi)和正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行。當(dāng)二級安全鏈斷開時，三級安全鏈也會斷開。

二級安全鏈由S1（振動開關(guān)）、K55.6（主軸超速開關(guān)）、K55.8（發(fā)電機超速開關(guān)）、K24.4（安全鏈急停復(fù)位繼電器）、K17.5（安全鏈延時閉合/斷開時間繼電器）、K29.6（主控安全鏈復(fù)位繼電器常開觸點）、KM25.8（二級安全鏈接觸器）組成。

二級安全鏈工作原理如圖4所示。

圖4 二級安全鏈工作原理圖

二級安全鏈是對機組振動和超速的保護回路，以一級安全鏈中安全繼電器K23.0的輸出為起點[2]。當(dāng)機組振動超限導(dǎo)致振動開關(guān)（S1）斷開后，二級安全鏈斷開；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超限（K55.6斷開）且發(fā)電機轉(zhuǎn)速超限時（K55.8斷開），二級安全鏈斷開。二級安全鏈斷開表現(xiàn)為KM25.8線圈失電，且S1斷開狀態(tài)和K55.6、K55.8斷開狀態(tài)會實時反饋給主控制器。

K17.5、K24.4、K29.6的輔助觸點并聯(lián)出現(xiàn)在二級安全鏈回路中，機組上電后，K17.5常開觸點延時閉合，接通KM25.8線圈，則KM25.8常開觸點閉合自保持。當(dāng)S1、K55.6、K55.8斷開后，KM25.8線圈失電，二級安全鏈斷開。

當(dāng)風(fēng)機振動和超速正常后，可通過兩種方式重啟二級安全鏈回路：（1）按下SB24.3或SB13.4，接通K24.4；（2）由主控制器判斷是否可以閉合二級安全鏈，接通K29.6。

2.3 三級安全鏈

三級安全鏈優(yōu)先級低于二級安全鏈，安全鏈回路中包括了偏航扭攬安全鏈、正常停機和變槳安全鏈，其觸發(fā)條件重要性低于二級安全鏈保護內(nèi)容。

三級安全鏈由SB27.3（機艙手動安全停機按鈕）、SB11.3（塔底手動安全停機按鈕）、K26.8（逆時針扭攬極限繼電器常閉觸點）、K26.9（順時針扭攬極限繼電器常閉觸點）、K29.6（主控安全鏈復(fù)位繼電器常開觸點）、KM27.5（三級安全鏈接觸器）、變槳安全鏈常開觸點組成。

三級安全鏈工作原理如圖5所示。

圖5 三級安全鏈工作原理圖

三級安全鏈以二級安全鏈繼電器KM25.8的常開觸點為起點，機組正常工作時，由主控制器閉合二級安全鏈復(fù)位繼電器，接通K29.6常開觸點，則三級安全鏈繼電器KM27.5線圈得電，三級安全鏈回路接通[3]。

當(dāng)機組需正常停機時，可斷開SB27.3或SB11.3，則三級安全鏈斷開，SB27.3和SB11.3的狀態(tài)會實時反饋給主控制器。當(dāng)機組偏航扭攬達到某一方向極限值時，扭攬開關(guān)動作，相應(yīng)方向的繼電器K26.8或K26.9常閉觸點斷開，三級安全鏈斷開。當(dāng)變槳系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，變槳安全鏈常開觸點斷開，也會導(dǎo)致三級安全鏈斷開。

KM27.5的常開觸點會將安全鏈回路的狀態(tài)實時反饋給主控制器和變流器。

3 結(jié)束語

從上述安全鏈設(shè)計可以看出，要使風(fēng)電機組可靠運行，需要重視機組控制系統(tǒng)的保護功能設(shè)計。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，往往注重系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計和提高其可利用率，然而進行這些設(shè)計的前提條件是機組控制系統(tǒng)的安全保護，只有在確保機組安全運行的前提下，才可以討論機組的最優(yōu)化設(shè)計，提高可利用率等。因此，控制系統(tǒng)具備完善的保護功能是風(fēng)電機組安全運行的首要保證，也是評價控制系統(tǒng)的重要依據(jù)之一。