某机组超速故障逻辑分析及案例解析

大唐哈密风电开发有限公司 甄炳文

1 绪论

一般情况，风机的超速保护具有优先级，一般先触发软超速故障，如果软超速失效，才触发超速安全链故障。安全链故障后机组进入紧急停机，风机紧急顺桨实现空气动力刹车和高速轴机械刹车。风机正常运行时高速轴刹车必须处于断开位置，如果风机运行过程中刹车动作，可能引发高速刹车摩擦起火、齿轮箱过载损坏等，因此分析清楚风机超速保护动作的逻辑，加强保护日常管理，对风机安全运行至关重要。

2 叶轮超速刹车故障案例及解释

2019年3月19日09时39分57秒，某风电场#29风机报SS-2：叶轮超速刹车故障，故障零时刻平均风速21.37m/s，叶轮转速13.29rpm，发电机转速1270.4rpm，机组处于大风天气满发电状态。查阅该风机最近两年的相同故障记录，该风机在2018年6月至2019年3月共报过完全相同的故障4次，且故障前未触发其他转速类故障。

图1

如表1所示，华锐风机配置了1320rpm和1380 rpm两级定值的发电机软超速保护，同时配置了叶轮超速、机侧变频器检测超速以及叶轮超速刹车三个安全链硬件超速保护。发电机转速测量数据反馈机侧变频器，由机侧变频器进行检测，机侧变频器检测超速指的就是变频器检测到发电机超速。

表1

在表1中的5个超速保护中，叶轮超速刹车属于安全链中等级最高的超速保护，故障时不仅触发安全链紧急停机，同时也触发齿轮箱高速轴刹车。按照超速保护故障等级，此故障触发之前应先触发故障等级较低的两级软超速保护和两个安全链硬保护超速，但实际上没有发生，也就是说#29风机的叶轮超速刹车故障属于超速保护越级保护，其原因有两种：一是较低级别的超速保护失灵；二是较高级别的保护定值设置过小导致保护提前动作。

3 华锐风机超速故障逻辑

风机的叶片吸收风能后驱动叶轮旋转，通过齿轮箱的增速作用，将叶轮的低转速大转矩作用力转换为双馈发电机的高转速小扭矩作用力，带动风力发电机旋转产生电能，这样将风的动能转化为电能。华锐SL3000机组采用双馈异步发电机，发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。变频器采用“交—直—交”的形式与电网连接，控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态，并随着风速的变化调节发电机的转速，如图2所示为风机发电原理图。

图2 风机发电原理图

按照风机控制系统设计规范，风力发电机组应配备两套独立的转速监测系统，其中应至少有一个转速传感器设置在风轮上，风机在正常运行时，叶轮转速和发电机转速均应处于一定的转速范围，任一路转速信号出现异常，应停止机组运行。根据转速的测量和比较原理，华锐风机配置了转速测量故障和转速比较故障。

3.1 转速的测量故障（即超速保护故障）

转速的测量。为控制风机转速，确保风机安全运行，华锐3MW风机分别在齿轮箱低速轴和发电机输出轴上安装了旋转编码器，用于检测风机的叶轮转速和发电机转速，如表2所示。

表2

一般情况，风机的超速保护具有优先级，一般先触发程序逻辑计算的软超速故障，如果软超速失效，才触发超速安全链故障。

3.2 转速比较故障（即速度测量合理性故障）

转速的比较。由于双馈风机通过齿轮箱传动系统将叶轮的低转速转换为发电机的高转速，而齿轮箱的传动比是一定的，所以在正常情况下，叶轮的低转速和发电机的高转速具有一定的比例关系，不能超出比例范围，如表3所示。

表3

根据转速比较故障的动作原理，发电机转速与叶轮转速的差值，是按照将发电机编码器测量的发电机转速与滑环编码器测量的叶轮转速，按速比选型确定的传动比折算成对应的发电机理论转速进行比较的：当｜n发电机-n叶轮×i选型｜≥i选型时，风机报转速差故障，由于n叶轮=n发电机/i实际，根据以上不等式进行折算，当发电机转速n发电机≥i实际×i选型/ |i实际-i选型｜时，风机在旋转过程中就会报709或708转速差故障。如风机配置为大速比齿轮箱，实际传动比为=95.477，硬件选型将速比设定为小速比齿轮箱，设定传动比为=84.95，则根据以上不等式计算，当发电机转速n发电机≥770.47rpm时，风机在旋转过程中就会报709或708转速差故障。

4 叶轮超速刹车故障原因分析

叶轮超速刹车保护定值按照1.2倍的发电机额定转速进行整定，并进行取整处理，当超速继电器检测到叶轮转速超过1.2倍的发电机额定转速即1.2×1200rpm/传动比时，触发安全链硬件保护故障，高速轴刹车动作。现场华锐风机现场使用大连重工、南高齿两个厂家三种不同传动比的齿轮箱，因此叶轮超速刹车保护定值应根据具体的齿轮箱配置进行设置，即1440/齿轮传动比，为便于计算结果取整数，一般按照1450/传动比进行整定。

表4

如果是较低级别的超速保护失灵，从机组故障时刻的发电机转速最大转速来看，发电机转速（1270.4rpm）距离1.2倍的发电机额定转速（1440rpm）尚有一段距离，可以排除这种可能；如果是保护定值设置过小，比如风机实际配置为大重小速比齿轮箱，叶轮超速保护定值应设定为17.06rpm，实际按照大重大速比齿轮箱设置为15.18rpm，将导致叶轮超速刹车保护提前触发。

4.1 现场齿轮箱传动比确认

表5

4.2 叶轮超速保护定值检查

2019年3月22日，登机检查超速继电器参数设置，发现叶轮超速刹车保护定值根据大速比齿轮箱传动比95.477设置为15.18rpm，参数设置错误。

4.3 超速保护越级动作原因

超速继电器中叶轮超速刹车故障保护定值设置错误，导致叶轮超速刹车安全链保护越级动作。叶轮超速刹车保护定值设置过小导致保护提前动作的原理。将叶轮超速刹车保护定值设置为15.18rpm，当发电机实际转速到达1289.54rpm时，虽然转速还没有到达发电机软超速故障保护定值1320rpm，但是用发电机实际转速1289.54rpm除以齿轮箱实际传动比84.95折算出来了的叶轮实际转速已经达到了叶轮超速刹车保护定值15.18rpm的触发条件，即1289.54rpm/84.95=15.18rpm。

4.4 暴露问题

一是机组配置多样化和设备参数不统一，保护定值管理精细化程度不够；二是人员技术技能水平不足，重要设备缺陷管理不到位，导致风机叶轮超速刹车故障多次重复发生；三是设备隐患排查不深入，未能结合以往历次安全链排查测试及时发现叶轮超速刹车保护定值设置不正确问题；四是技术培训工作不到位，风电场值班人员对风机叶轮超速刹车保护越级动作危险性认识不到位。

5 叶轮超速刹车保护越级动作造成齿轮箱过载损坏案例

5.1 故障情况

故障2022年3月13日01时27分，DT29风机报GH_Controller测得的驱动链震动告警故障，09时00分开票登机检查，在风速3m/s下手动变桨至83.9度，发现风机叶轮无法转动，发电机转速为0，手动盘车联轴器无法转动，对主轴承开盖检查，发现滚珠无异常，但传动链无法转动，初步判断可能是齿轮箱内齿面或轴承卡死。

3月14日进行齿轮箱内窥镜检查，通过三个观察孔及呼吸器安装孔检查一级行星轮齿面及轴承、二级行星轮齿面及轴承、高速轴齿面及轴承，发现齿轮箱一级行星齿面、二级行星齿面存在点蚀、剥落情况，一级行星轮轴承滚珠与保持架间隙间有磨损铁屑，3月15日再次登机检查，发现一级大齿圈1个齿面断裂。

如上所述，该风机在2018年6月至2019年3月，共报过完全相同的故障4次，其中最后1次2019年3月19日，故障零时刻平均风速21.37m/s，叶轮转速13.29rpm，发电机转速1289.54rpm，机组处于大风天气满发电状态，判断齿轮箱在运行过程中，由于高速轴刹车多次突然投入，给风机传动链包括齿轮箱造成巨大冲击。

图4

如图3所示，为齿轮箱内部结构及高速轴刹车大盘，可以看出由于主制动器瞬间抱闸，刹车片与刹车大盘摩擦产生高温，导致刹车盘有烧伤，因齿轮箱高速轴突然抱死，低速轴系在大扭矩作用下严重过载，最终导致一级行星齿损伤，在后续长时间运行过程中逐步劣化，大齿圈1个齿面断裂。

图3

5.2 故障前维护情况

追溯维护记录，2021年11月18日风机报出齿轮油电气泵压力高于极限值，开票登记检查发现滤芯上有铁粉，有少量金属屑，滤筒底部有金属粉末，更换电气泵和机械泵滤芯。

图5

2022年01月04日，CMS振动在线检测报告显示DT29风机齿轮箱由“正常”升级为“注意”。于2022年01月17日齿轮箱专项检查，动态检查无异音，更换齿轮箱电气泵及机械泵滤芯，并更换滤筒密封圈；2022年02月23日，进行DT29风机齿轮箱油品更换工作，排出齿轮箱废油630L；对齿轮箱进行一次冲洗，两次清洗（使用齿轮油400L）；对齿轮箱滤筒底座铁屑进行清理；更换滤芯2个、密封圈4个；加注嘉实多齿轮油700L。

图6

6 结论

双馈风力发电机组叶轮超速保护定值参数的设置，与机组的配置情况密切相关，风电场运维人员应在理解相关定值设置原理的基础上，结合实际合理设定风机超速保护定值，加强保护定值管理及隐患排查，避免保护越级动作，风机在高速转动过程中继续刹车突然投入，给设备安全稳定运行留下不可逆转的隐患。