风机安全链电路分析及安全控制策略的探讨

杨雄杰，徐文举

（1.东方电气风电有限公司，四川德阳，618000；2.东方电气（酒泉）新能源有限公司，甘肃酒泉，735000）

风机安全链电路分析及安全控制策略的探讨

杨雄杰1，徐文举2

（1.东方电气风电有限公司，四川德阳，618000；2.东方电气（酒泉）新能源有限公司，甘肃酒泉，735000）

风机安全链是风机控制系统的核心控制电路，它实时监控涉及风机安全的各部分控制环节，是确保风机安全可靠稳定运行的重要保障。文章以MITA WP3100主控系统为例，从安全链的电源、安全链自锁回路、安全链触发、安全链复位等几个方面分析了风机安全链电路，对提高风机安全链电路的认识及故障处理有指导作用；对风机安全控制策略提出了改进思路。

安全链，超速模块，MITA WP3100

0 引言

要提高风机的可利用率或实现风场无人值守运行，最重要的工作是要确保风机安全稳定地自动运行。风机安全链是确保风机安全运行的核心控制电路，风机安全链主要由安全链电源、安全链自锁回路、安全链触发、安全链复位等几个部分组成。以下从这几个方面，分析论述安全链的构成并对实际运行中遇到的安全链问题进行讨论。

1 风机安全链电路构成

所谓风机安全链就是由直流24 V供电，串联一系列常闭开关接点的继电器自锁回路。这个继电器叫安全链继电器。风机正常时，安全链继电器得电自锁闭合，遇到紧急状况时，对应故障的常闭开关接点断开，安全链断开，安全链继电器断开，风机刹车程序200，处于紧急刹车状态，叶片通过后备电源快速收桨。主轴刹车立即抱死。

1.1安全链电源

图1为安全链24 V直流电源结构图。

图1 安全链电源结构图

风机电网电压690 V通过一个开关接到容量为40 kVA的三相变压器E001T2，把690 V变为三相400 V；单相对地变为230 V，通过开关E005Q2给UPS供电。UPS输出230 V交流电通过约100 m长的电缆从塔基变频器柜送到机舱主控柜；通过F9.7开关给24 V电源模块供电，最后24 V电源模块给安全链回路提供24 V直流稳压电源。当电网掉电时，由UPS提供约3 min的电源支持。

1.2安全链回路

安全链回路分为两部分：

第一部分为急停安全链继电器回路，如图2所示。

图2 急停安全链继电器回路方框图

带自锁功能的3个紧急停止按钮，分别布置在机舱主控柜面板上、塔基变频器在控制柜面板上、机舱可便携移动的急停按钮盒3个位置。3个常闭开关串联在一起，机舱主控柜急停按钮通过90 m左右电缆连接到塔基变频器控制柜急停按钮常闭开关的一端，另一端再从塔基通过90 m左右电缆返回机舱控制柜和机舱可便携移动的急停按钮盒连接。机舱可便携移动的急停按钮盒常闭开关出线后连接急停安全链继电器。

如图3所示：正常情况下，3个紧急停止按钮开关闭合，急停安全链继电器K.21.9线圈带电动作。其常开接点闭合，允许手动偏航。

图3 手动偏航控制电路

3个紧急停止按钮中任意一个被按下后，急停安全链继电器K.21.9线圈断电。其常开接点断开，切断了手动CW偏航继电器K.28.9线圈及手动CCW偏航继电器K.28.10线圈的供电，禁止手动偏航。同时中断了安全链供电，安全链断开，激活刹车200。

安全链回路第二部分为安全链控制电路，如图4所示。

来自急停安全链继电器电路的24 V电源，顺序串联叶片维护开关、偏航CW及CCW极限位置开关、机舱晃动传感器开关、主轴超速模块开关、齿轮箱超速模块开关、主控系统OK信号开关，一共串接了7个开关接点。

图4 安全链控制电路方框图

当风机系统正常，没有出现任何故障时，叶片维护开关、偏航CW及CCW极限位置开关、机舱晃动传感器开关、主轴超速模块开关、齿轮箱超速模块开关、主控系统OK信号开关7个接点全部导通。

按下机舱控制柜复位按钮或按下变频器控制柜复位按钮后，整个安全链复位，安全链继电器K.11.8、K.11.9得电动作，K.11.8继电器的一个常开接点自锁闭合，安全链处于复位闭合自锁状态，同时给主控142端口送一个高电平，通知主控说明安全链处于闭合正常状态。

2 安全链处于复位闭合自锁状态时，安全链的控制功能

（1）给CW偏航及CCW偏航电机继电器提供230 V交流电源。安全链断开时禁止机舱自动偏航。

（2）给电池快速收桨信号提供复位。安全链断开时，立即启动电池快速收桨。

（3）给变频器提供复位信号。经过一个交流中间继电器转换，将直流24 V电压等级的主控安全链继电器常开接点转换为230 V交流继电器接点，串联到一个230 V交流电压的变频器并网断路器失压脱扣线圈回路，安全链断开时，立即断开并网断路器。

（4）给偏航刹车继电器、发电机散热风扇继电器提供电源。安全链断开时，偏航刹车器处于刹车状态，发电机风扇停止工作。

（5）给齿轮箱的循环油泵继电器、齿轮箱散热风扇电机继电器、齿轮箱加热继电器提供电源。安全链断开时，禁止齿轮箱的循环油泵、齿轮箱散热风扇、齿轮箱加热器工作。

（6）给风机起动时，叶片92°限位开关旁路信号提供复位。安全链断开时，禁止叶片动作。

（7）给主轴刹车继电器提供电源。安全链断开时，主轴刹车处于刹车状态。

3 安全链触发

3.1叶片维护开关

需要进入轮毂工作时，必须把叶片维护开关打到位置“1”，将风机安全链断开。可以确保维护人员在轮毂里工作时，风机无法远程复位或自动复位起动运行。同时给轮毂控制器手动操作提供支持。

3.2风机偏航极限位置开关

风机正向偏航CW及反向偏航CCW压到极限位置开关时，将风机安全链断开。禁止继续偏航，防止从塔筒底部送到机舱上的690 V/400 V、UPS电源电缆、发电机静/转子电缆及光纤被扭断。可以通过手动反方向偏航到机舱初始零位解除硬件报警，恢复安全链。

3.3机舱晃动传感器开关

当风机强烈振动，引起机舱前后或左右晃动超过设定保护值时，机舱晃动传感器动作，将风机安全链断开。

3.4主轴超速检测模块开关K.40.7

在风机主轴上安装有主轴转速测速盘，主轴旋转一圈，可以产生24个脉冲。

例如：主轴旋转速度为12 r/min，脉冲频率为：24×12/60=4.8 Hz。主轴允许最大旋转速度为25 r/min，对应脉冲频率为10 Hz，当模块检测到脉冲频率大于10 Hz时，主轴超速检测模块开关的常开接点断开，将风机安全链断开，同时给主控139端口一个高电平信号，通知主控主轴超速模块动作了。当转速下降，脉冲频率小于10 Hz时，主轴超速检测模块开关复位，其常开接点接通，但安全链需要人工复位，其常闭接点断开，给主控的高电平信号断开，通知主控主轴旋转速度已经小于超速整定值，允许人工复位。

主轴超速模块的干接点，设计为带电吸合，可以监视UPS电源或模块的接插件是否接触良好。接插件松动或UPS掉电时，立即触发安全链动作。

3.5齿轮箱高速轴超速检测模块开关K.40.9

在风机齿轮箱输出轴上安装有齿轮箱高速轴测速盘，齿轮箱高速轴旋转一圈，可以产生2个脉冲。

例如：主轴旋转速度为2 100 r/min，脉冲频率为：2 100×2/60=70 Hz。例如齿轮箱高速轴允许最大旋转速度为1 950 r/min，对应脉冲频率为65 Hz，当模块检测到脉冲频率大于65 Hz时，齿轮箱高速轴超速检测模块开关的常开接点断开，将风机安全链断开。同时给主控140端口一个高电平信号，通知主控：齿轮箱高速轴超速模块动作了。当转速下降，脉冲频率小于65 Hz时，齿轮箱高速轴超速检测模块开关复位，其常开接点接通，但安全链需要人工复位，其常闭接点断开，给主控的高电平信号断开，通知主控：齿轮箱高速轴旋转速度已经小于超速整定值，允许人工复位。

齿轮箱超速模块的干接点，设计为带电吸合，可以监视UPS电源或齿轮箱超速模块的接插件是否接触良好。如果超速模块接插件松动或主控UPS掉电时，立即激活安全链动作。

3.6 WP3100内部继电器

WP3100主控器实时检测风机主轴、齿轮箱高速轴、发电机轴的转速，如果超过允许的最大值，则WP3100内部继电器断开触发安全链断开。

WP3100主控器实时检测风机机舱可移动急停按钮、变频器急停按钮、机舱控制面板急停按钮的工作状态，如果检测到按钮动作，则WP3100内部继电器断开触发安全链断开。

4 安全链复位

4.1安全链上电复位

电网停电后再来电时，上电复位继电器K.9.5延时150 s，一方面其常开接点单稳态动作，导通1 s，相当于人工按动一次复位按钮；另一方面其常闭接点断开，给主控系统一个低电平有效的复位信号。通知主控开始自检，如果系统自检正常通过，则安全链自动复位。安全链复位正常后，主轴刹车延时继电器K.11.10延时24 s，松开主轴刹车。风机开始启动。

4.2风机安全链触发故障复位

如果风机由于偏航计数器硬件触发，或风机主轴或风机齿轮箱超速模块动作，或风机振动超标引起晃动传感器动作，或主控检测到软件超速都将激活安全链断开。此时无法通过风机监控SCAD系统远程复位，必须人工到风机塔筒变频器面板或风机机舱主控面板进行就地复位。目的是要现场人员必须就地解决安全链触发的故障，才允许风机再次起动，以免故障扩大。

5 关于风机安全链问题的讨论

5.1安全链触发后，手动偏航是否起作用

安全链触发分两种情况，一种是由急停按钮引起的安全链触发，例如：机舱可移动急停按钮或机舱控制面板急停按钮或变频器急停按钮动作引发的安全链触发。这种情况下，手动偏航不起作用。

另一种是由于叶片维护开关、偏航CW及CCW极限位置开关、机舱晃动传感器开关、主轴超速模块开关、齿轮箱超速模块开关、主控系统OK信号开关等一共串接了7个开关接点所引起的安全链触发，可以执行手动偏航。

正是因为有了这个功能，在风机调试时为了节省调试时间，只要在安全风速下，风机的轮毂调试与机舱偏航调试可以同时进行。

也正是因为这个原因，使用手动偏航时，有可能将电缆过度扭转而损坏。目前风机塔筒底部变频器面板上的手动偏航开关都改成手动按钮式开关，人离开时偏航即刻停止。以防止风机停电时，不小心把偏航开关置位，风机来电时风机一直处于偏航状态，直到把电缆扭断的情况发生。由于偏航转动一圈需要12 min，机舱偏航调试时也要特别注意小心偏航扭转过度损坏电缆。

5.2风机安全链触发后，安全链断开，主轴刹车是否立即投入

风机安全链触发后，安全链断开，激活刹车200，主轴刹车立即投入。

如果风机处于满功率发电状态，安全链断开后，激活刹车200，主轴刹车立即投入。刹车系统将产生2.5倍额定力矩的阻力矩：8 300×2.5= 2.075×104N·M。

2×104N·M的阻力矩将对传动链系统造成很大的冲击。如果经常性地在额定负载情况下发生安全链断开故障，会对齿轮箱齿面产生冲击效应。影响齿轮箱齿面的寿命。风机的正常停机主要是靠叶片正常收桨到90°位置来实现的。在额定风速情况下，如果叶片没有正常收桨到90°位置，单方面靠主轴刹车是刹不住的，即使刹住了，也会由于刹车片高温磨损，摩擦系数下降，而重新超速飞车。因此，本文提出了一个优化刹车程序的方案：主控检测到安全链断开时，首先检测发电机转速，如果发电机转速在1 000 r/min以下，立即投入主轴刹车；发电机转速大于1 000 r/ min，延时10 s投入刹车。如果叶片快速收桨速度是6°/s，10 s可以收桨60°，以减少对传动链系统的冲击负载。

实际应用时，为确保可靠性，发电机转速的测定，需要将主轴旋转转速、齿轮箱转速、发电机转速3个转速同时作为评判条件；增加一个10 s延时继电器作为硬件保护，时间一到，无条件立即刹车。以防止极端情况下，由于主控死机，安全链不动作的情况发生。

风机在停机状态，进行故障检修时，发电机转速为零，安全链断开后，则立即投入刹车，不影响风机的检修操作，刹车效果和原来一样。

6 风机安全链断开故障的危害及分析处理

6.1风机安全链断开故障的危害

6.1.1 主轴刹车一直处于刹车状态，机舱禁止自动偏航

由于风机不能自动对准风向，大风期间，风向发生变化后，叶片将受侧向风力影响产生转动，又因为主轴刹车一直处于刹车状态，将造成齿轮箱高速齿面一直持续产生打齿现象，造成齿轮箱齿面的损伤。若遇到北方冬季大雪封路的情况，由于安全链故障不能尽快解决，风机有可能3～5天一直处于齿轮箱齿面撞击状态。

6.1.2 必须人工到风机塔基复位

如果故障风机距离监控室较远，来回路途就要1个多小时，如果故障不能及时准确排除，刚复位起机转不到1～2 h又报故障，由于距离较远，来回复位起机，将造成人力物力的浪费。

目前有一些国产的风机主控系统，设计为允许安全链远程复位，虽然可以解决远距离就地复位长途奔波问题，但也引发更严重的安全问题。例如某风场由于风机叶片没有完全收桨，风机超速，安全链断开，报紧急刹车程序200，虽然主轴刹车已经把主轴刹死，但监控室又通过远程复位了安全链故障，风机又重新旋转至超速紧急状态，由于主轴刹车片已经严重磨损，最后风机超速倒机。

因此建议：

（1）如果允许远程复位安全链故障，需要设计成远程复位安全链故障必须输入3把密码锁，由3个不同级别的人保管。确保风机不存在颠覆性故障情况下，允许复位。

（2）24 h内，只允许远程复位2次。

小风情况下报安全链断开故障，虽然暂时不会引起风机超速，但每次刹车200故障都激活叶片快速收桨，如果是超级电容作为紧急电源，最多收桨3次就没有电了。远程复位次数超过3次，也存在叶片不能完全收桨的可能，下次大风出现时可能引发超速倒机故障。

6.2风机安全链断开故障的分析处理

风机安全链断开故障一般与超速模块动作有关。

风机超速模块有3种：主轴超速模块、齿轮箱超速模块、发电机超速模块。

如图5所示，主轴超速模块K.40.7、齿轮箱超速模块K.40.9、2个带电吸合干接点直接串联在安全链回路，超速模块动作时，安全链回路立即断开，激活刹车程序200。发电机超速模块K.40.5的接点没有串联到安全链回路里，当发电机超速模块K.40.5动作时激活变桨自主运行，刹车程序52，不会直接断开安全链。

图5 安全链触发控制电路

风机安全链触发故障时，如果是在没有风或在小风情况下报超速模块动作，一般是超速模块接插件松动或超速模块本身故障。还有一种情况是测速传感器安装位置离测速盘太近或太远，或测速盘被润滑油脂所覆盖，如图6、图7所示。

图6 现场照片

如图6所示，旋转传感器探头与测速盘的间距要控制在2～3 mm范围内，由于风机运行过程中的振动、机舱温度的频繁变化使测速探头固定松动以及主轴刹车片刹车过程中产生的铁粉会附着在探头表面，因此需要定时清理和紧固探头。

如图7所示，主轴测速传感器探头与测速盘被油脂覆盖，造成测速错误，低风速情况下，经常报主轴超速。把油脂清理干净，主轴超速安全链故障得到解决。

图7 现场照片

7 结束语

本文分析了安全链电路的构成，对风机安全链控制策略、安全链问题提出了一些优化改进建议。

[1]上海电气风电设备有限公司.MITA-TEKNJk A/S WP3100控制器技术手册[Z].2008.

[2]吴佳梁.风力机安装、维护与故障诊断[M].北京:北京化学工业出版社,2011.

Analysis on Safety Chain Circuit of Wind Turbine and Discussion on Safety Control Strategy

Yang Xiongjie1，Xu Wenju2
(1.Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000; 2.Dongfang Electric(Jiuquan)New Energy Co.,Ltd.,Jiuquan Gansu,735000)

Safety chain of the wind turbine is the core control circuit of the wind turbine control system.It can monitor all ports of wind turbine safety control links in real-time,can ensure the security，reliablity and stability of the wind turbine.Taking MITA WP3100 master control system as an example,the wind turbine safety chain circuit is analyzed from the power safety chain，safety chain selflocking circuit，safety chain trigger and safety chain reset,which has a guidance on raising awareness of the safety chain circuit and troubleshooting,and proposes improvement ideas on the safety control strategy of wind turbine.

safety chain，overspeed module，MITA WP3100

TM614

A

1674-9987（2016）04-0064-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.014

杨雄杰 （1963-），男，电气自动化专业高级工程师，东方风电主任工程师。主要从事风机现场调试、运维技术支持等工作，研究方向：风电机组主控、变桨、变频技术优化。