某风电机组发电机定子导电轨接线箱的 故障分析

王明军，钟朝飞

(1. 酒泉职业技术学院，酒泉 735000；2. 东方电气风电有限公司，德阳 618000)

0 引言

大型兆瓦级风电机组均配置有变频器，随着风电技术的发展，变频器结构也更为复杂。变频器是风电机组的重要组成部分，具有完善保护功能对其自身及风电机组的安全运行起着重要作用。因此，对于质量优异、技术成熟的变频器，其保护电路也会设计得较为完善。若双馈风电机组的发电机定子、转子线路出现打火，相间、对地短路等，变频器会瞬间触发断路器跳闸，风电机组的主控制系统(下文简称为“主控”)报“变频器故障”，风电机组停机。当定子线路出现严重短路时，还可能触发箱变低压侧断路器跳闸，如此可使风电机组及变频器的安全得以保证，避免电缆、变频器或风电机组烧毁事故的发生[1]。

某风电场的1.5 MW双馈风电机组运行10年后，发电机定子导电轨接线箱的L3相接线铜排出现了疲劳断裂，导致定子电缆电流严重过载，使电缆绝缘胶皮熔化，定子电缆对地短路引发变频器报故障，箱变低压侧断路器保护性跳闸，变频器定子接触器的L3相出现粘连，风电机组停机。本文首先对风电机组的运行及保护停机状况进行了介绍，然后针对上述故障案例进行了分析，并给出了预防措施。

1 风电机组运行及保护停机

风电机组会在无干预的情况下自动完成等风检测、启机并网、正常发电和保护停机等功能[2]。在风力小或无风情况下，风电机组输出负功率时，其会自动停机进入等风状态。当风速达到启动风速以上时，风电机组会自动启机，并网发电。当变频器出现故障时，在变频器控制板内部会报故障，并发出命令，立即断开变频器的断路器；同时，把变频器故障信号传递给风电机组的主控，再由主控报出“变频器故障”，之后风电机组停机。然而，报“变频器故障”并非全部由变频器自身故障造成，还可能是由电网故障或风电机组停机等原因引发。

通常情况下，在主控报“变频器故障”，风电机组停机后，当主控程序设定的停机间隔时段结束后，主控会自动给变频器发送一个复位信号，此时若变频器无故障，风电机组可自动并网发电；若变频器确实存在某种故障，主控将继续报“变频器故障”，风电机组停机。出现“变频器故障”后，也可实施手动复位[3]。若是由于外界因素导致变频器发生故障，当外界因素排除后，风电机组可再次自动并网。

为保证风电机组的安全运行，其在设计时采用了大量的冗余设计。基于对风电机组保护的设计理念为：当风电机组箱变的负载线路出现过载或严重对地短路时，需要箱变低压侧断路器自动跳闸断电，以保护风电机组塔筒内的相关动力电缆及变频器等；当发电机及定子线路发生故障时，变频器应及时停机、脱网，以保障自身安全，并保护发电机及定子、转子电缆等不因故障损毁[1]。箱变跳闸通常属于冗余保护，也是保证风电机组安全的最后一道防线。

2 发电机定子导电轨接线箱故障分析

2.1 事故状况及主控、变频器所报的故障

某风电场的某1台风电机组在满负荷发电时，瞬时负荷为1526.86 kW，激活了主控的低电压穿越程序，主控报“穿越电网故障”，同时还报出“电网相欠压”“电网电压下降”，导致箱变低压侧断路器跳闸，风电机组失电停机。

箱变低压侧断路器合闸后，风电机组送电，但多次复位启机，主控均报“变频器故障”。打开变频器并网柜发现，变频器定子接触器的L3相已出现粘连。为进一步查明出现粘连及箱变低压侧断路器跳闸的原因，工作人员登塔进行检查，发现U型电缆中的1根定子电缆的绝缘胶皮已全部熔化，与故障电缆靠近的其他电缆的绝缘胶皮也发生了不同程度的熔化，现场状况如图1所示。

图1 U型电缆中1根定子电缆的绝缘胶皮熔化状况Fig. 1 Melting condition of insulation rubber of one stator cable in U-type cable

在第3节(从下到上)塔筒平台上方，靠近定子导电轨接线箱的塔筒马鞍处，故障电缆绝缘胶皮的熔化更为严重，并一直延伸至定子导电轨接线箱内。在定子导电轨接线箱内，L3相最右边的定子电缆为故障电缆，在靠近接线铜排处，电缆的绝缘胶皮部分已受热碳化。L3相接线铜排(即定子导电轨接线箱最上边的铜排)与定子导电轨用4个连接螺栓进行连接，左边2个连接螺栓的螺帽已部分烧熔，如图2所示。拧开L3相接线铜排与定子导电轨之间进行固定连接的连接螺栓，发现L3相接线铜排已完全断裂，断裂位置位于接线铜排上螺帽已部分烧熔的这2个连接螺栓孔的中心位置。定子导电轨接线箱内L3相接线铜排的状况如图3所示。

图2 L3相接线铜排与定子导电轨间的连接螺栓 被烧熔的局部图Fig. 2 Partial photo of connection bolt fused between L3 phase connection copper bar and stator conductor rail

在本次故障发生之前，风电机组主控报“变频器故障”且风电机组停机的次数很多。近5个月之内，主控报“变频器故障”且风电机组停机的次数多达65次；在本次故障发生前一天，主控报“变频器故障”且风电机组停机的状况更为频繁，达12次，其中，在“无风停机”较频繁时段，1 h之内触发了4次主控报“变频器故障”且风电机组停机。再查看变频器内部的报故障记录，均是“变频器过流”，故障时直接导致变频器断路器断开，发生风电机组脱网事故。

图3 定子导电轨接线箱内L3相接线铜排的状况Fig. 3 Condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

2.2 故障现象及分析

风电机组机头、机舱需随风向进行对风偏航，机舱与塔筒所有输电电缆和控制电缆均采用U型电缆。因此，双馈风电机组发电机定子导电轨接线箱到第3节塔筒上的定子导电轨接线箱的电力输出也是通过U型电缆进行连接。

发电机定子在U型电缆处三相的每一相均由4根185 mm2型号电缆组成，首先固定在定子导电轨接线箱内的三相接线铜排上，然后定子电缆经机舱，沿塔筒中间的电缆导向孔，再穿过第3节塔筒平台中心的腰形孔，下至该平台下2.5 m处，然后从第3节塔筒平台侧边的腰形孔拽起，从第3节塔筒平台上的塔筒马鞍上面绕过，用钢扎带将定子电缆在塔筒马鞍上固定后，最后接到定子导电轨接线箱的接线铜排上；定子导电轨接线箱的下端直接与塔筒内的定子导电轨连接。

发电机定子电缆的每一相的电流均由4根电缆分担。通常情况下，4根185 mm2型号电缆分别承载的电流大小基本相同。每根定子电缆分别由1个连接螺栓固定在定子导电轨接线箱的接线铜排上。故障风电机组定子导电轨接线箱内L3相接线铜排断裂，断裂处位于连接接线铜排与定子导电轨的4个连接螺栓中左边2个连接螺栓孔的中心位置，状况示意图如图4所示。

图4 定子导电轨接线箱内L3相接线铜排断裂状况示意图Fig. 4 Schematic diagram of fracture condition of L3 phase connection copper bar in stator conductor rail junction box

定子导电轨接线箱L3相接线铜排的两端均由绝缘支撑座固定，而故障风电机组的定子导电轨接线箱L3相接线铜排左边的绝缘支撑座因故不能完全固定接线铜排左端，使接线铜排左边和3根电缆处于相对自由状态；另外，由于电缆安装在第3节塔筒上方，当塔筒剧烈摇晃时，接线铜排左端与定子电缆有微小的振动和前后摇摆的位移。从接线铜排的受力分析可知，其应力集中点(即危险点)位于接线铜排与定子导电轨连接的4个连接螺栓中左边2个连接螺栓孔的中心位置。经过时间的积累，接线铜排的危险点就出现了疲劳断裂，并且随着时间的推移与塔筒的摇晃和振动进一步加剧，导致接线铜排裂纹的距离不断加大，L3相接线铜排左端的导电能力随之降低。

在25 ℃的环境温度下，单根185 mm2型号电缆的最大承载电流为430 A。在风电机组满负荷时，发电机输出定子电流约为1000～1100 A；4根185 mm2型号电缆的平均承载电流约为260 A。由于接线铜排断裂处位于其与导电轨连接处左边2个连接螺栓孔的中心位置，这意味着左边3根185 mm2型号电缆的电流无法正常导电到导电轨，只剩下故障接线铜排右边的1根185 mm2型号电缆能够正常导电。

在接线铜排断裂初期，故障引发的影响并未立即扩大，甚至对风电机组正常并网发电的影响不大。这是因为：一方面，在低风速时，风电机组的发电功率低，定子电流小，甚至小于单根185 mm2型号电缆的承载电流，此时，接线铜排断裂并不会影响风电机组正常发电；另一方面，当接线铜排断裂部位通过的电流过大，超过其承载电流时，接线铜排断裂处会因发热而使电阻增大，接触面还会因发热而发生进一步氧化，致使发热进一步加剧，接线铜排导电能力减弱，单根185 mm2型号电缆承载的电流过大，导致接线铜排断裂处和连接螺栓烧熔、电缆绝缘胶皮熔化和碳化，甚至还会出现导电打火的现象。因故障风电机组变频器的保护设计非常完善，当接线铜排断裂处出现导电打火时，会引发变频器报“过流”，风电机组停机，直接导致变频器断路器瞬间断开，主控报“变频器故障”，从而使风电机组和变频器得到保护。而风电机组停机后，本应根据故障信息进行修理，但是此故障并未引起现场维修人员的注意。

虽然在上述情况下风电机组存在故障和安全隐患，但此故障中，当风电机组停机后，随着导电轨接线箱内接线铜排断裂处导电打火的停止，风电机组变频器故障产生的原因也随之消除。因此，在主控报“变频器故障”且风电机组停机后，风电机组又能顺利复位并网。

在未消除故障的前提下，风电机组不断地并网、脱网，左边连接3根185 mm2型号电缆的接线铜排输入端电阻持续增大，导电能力不断减弱；接线铜排右边的1根电缆所需承载的电流也不断增大，当该电流远超过电缆的承载能力时，电缆大量发热使绝缘胶皮发生熔化。在塔筒马鞍处的定子电缆是用钢扎带固定的，在最后一次故障发生时，风电机组正处于满负荷发电状态，发电功率达1526.86 kW；此时在电缆重力作用下，熔化胶皮被压到一边，定子电缆失去绝缘层的保护，导致定子电缆与钢扎带对地形成短路，最终造成变频器定子接触器L3相粘连，箱变低压侧断路器跳闸，触发了主控报“电网相欠压”“电网电压下降”的电网故障，风电机组停机。

3 经验总结

经过上文分析，针对本次风电机组故障可以得到以下几个方面的经验。

1)在风电机组安装和维护时，应加强对定子导电轨接线箱接线铜排两端绝缘支撑座固定情况的检查，接线铜排应良好地固定在绝缘支撑座上。

2)现场风电机组所报故障应寻根究底，不放过任何一个故障线索，以免留下潜在故障，并埋下安全隐患。从变频器及主控的记录可知：该风电机组在本故障发生前的近5个月内，主控报“变频器故障”达65次之多。大多是由定子导电轨接线箱内打火引发，导致变频器内部报“过流”。但由于现场维修人员未对该故障进行彻查，导致最终出现了定子电缆绝缘胶皮烧熔、箱变低压侧断路器跳闸、变频器定子接触器粘连这些较为严重的故障。所以，需要加强风电场的现场管理，提高现场运维人员的技术水平，在现场处理故障时，不能轻易放过任何一个故障线索，以消除潜在的风电机组故障和安全隐患，增加风电机组运行的稳定性。

3)采取有效措施保证箱变和变频器保护功能顺利执行。在风电机组运行中，可能会出现定子、转子电缆打火，定子、转子电缆对地或相间短路等问题，需要变频器断路器及时断开、箱变跳闸，以保证风电机组及变频器的安全。在本次事故中，当定子导电轨接线箱出现打火故障时，变频器能及时停机来保证风电机组安全；当定子电缆对地短路时，箱变和变频器断路器迅速跳闸，保护了风电机组及变频器的安全，也充分说明了箱变和变频器保护对风电机组安全运行的重要意义[4]。

为充分发挥箱变及变频器的保护作用，保证风电机组及变频器的安全，需做好以下几个方面的工作。①需保证变频器的采购质量和保护功能的完善，避免重大事故的发生。②为了保证箱变在必要时能自动分闸，应对其进行定期维护。箱变定期维护应包括：低压侧断路器的参数设置检查和自动分闸功能测试；高压侧熔断器的安装及跳闸机构的检查[5]。③保证箱变的低压侧中性线的良好接地及零序保护[5]；箱变接地线与变频器平台接地线、定子接地线和转子接地线在风电机组的接地汇集排上良好接地。

4 结论

本文对某风电场某1.5 MW双馈风电机组的定子电缆绝缘胶皮熔化后，定子电缆对地短路引发变频器报故障，箱变低压侧断路器保护性跳闸，风电机组停机这一故障进行了分析，并给出了预防措施。通过分析可知：现场运维人员判断风电机组故障和排除潜在故障的能力，直接关系到风电机组运行的稳定性和其利用率的提高，还涉及到风电机组的安全隐患能否顺利消除。因此，需要加强风电场的现场管理，提高现场运维人员的技术水平，使风电机组达到20年，甚至更长时间内的平准化度电成本最低。