异步双馈风力发电机组刹车系统事故预防研究

索新良，谭 袖，刘俊廷

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

近几十年风力发电在我国发展迅速，装机容量年年攀升。但随之对应的问题也不断显现，风力发电机组设计不成熟、元器件可靠性差、现场专业人员技术水平薄弱等因素导致风电机组火灾、飞车、倒塌等事故[1-2]时有发生。

以下介绍双馈异步风力发电机因制动系统故障所导致的火灾，从技术和管理方面入手，提出事故处理建议及预防措施。

1 制动系统介绍

根据GB/T 18451.1—2012《风力发电机组设计要求》，风力发电机组必须有两套不同原理的独立发挥作用的制动系统，以便保障风电机组在故障状态下绝对安全。目前制动系统基本采取空气动力学刹车和主轴机械刹车两套机构。空气动力学刹车是通过变桨系统来使叶片顺桨实现气动刹车目的。对于异步双馈风力发电机组，机械刹车一般是通过安装在齿轮箱输出端即高速轴的液压制动器，实现制动和机械刹车。

高速轴制动器一般有两种方式，即主动式和被动式[3-4]。主动式是指制动器得到压力时，制动器的活塞推动摩擦片与制动盘摩擦，实现刹车功能；制动器失去压力时，活塞在弹簧的推力下，摩擦片离开制动盘，实现松闸。被动式是指制动器失去压力时，制动器依靠弹簧的弹力抱闸刹车；制动器得到压力时，制动器松闸，主轴自由转动。主动式制动器制动动力来自液压系统，被动式制动器制动动力来自弹簧的弹力，目前主动式制动器应用较多。主动式制动器结构如图1 所示。

图1 高速轴制动器

2 机械刹车系统引发火灾分析

火灾发生的主要因素一个是可燃物，另一个是火源。风力发电机组引发火灾的可燃物最主要的是油脂，因设备设计制造及安装原因，风力发电机组齿轮箱与轴承的密封可能存在问题，齿轮箱输入输出轴附近、主轴轴承部位、发电机轴承部位、偏航系统等部位可能存在漏油现象[5-6]；其次是机舱布置的动力电缆、通信电缆及液压油管等橡胶管路[7]。对于双馈异步风力发电机组，火源主要来自齿轮箱输出端高速轴机械刹车系统刹车片与刹车盘摩擦产生的高温碎屑或火花[8]。

异步双馈风力发电机组正常运行时齿轮箱输出端属于高速运行，若控制系统安全链因振动超限、超速、急停按钮按下等异常情况动作，变桨系统会做出紧急顺浆、高速轴做出刹车启动保护动作[9]。若机械刹车系统在高速轴高速运转时长时间执行刹车动作，摩擦片与刹车盘高速摩擦，产生大量热量及金属碎屑，高温金属碎屑沿刹车盘飞溅，温度较高时足以引燃周边可燃物品。

某风电项目1 台风机远程进行PLC 重启时，安全链动作，制动器抱闸。风机再次重新启动运行时由于制动器动作后液压缸活塞未正常回位，且SCADA 系统未设置刹车状态反馈信号，导致制动器主动侧刹车片与刹车盘侧摩擦近30 min，高温产生火花和熔融物，引燃制动器下部易燃物，引发火灾。

某风电项目1 台风机机舱着火事件，因风机机械刹车装置进行主轴刹车，刹车状态反馈信号丢失，风机在刹车状态下启动并持续运行，发电机冷却风管的连接波纹管与机械刹车系统距离较近，且无有效的防火隔离措施，刹车片与刹车盘高速摩擦产生火花，引燃刹车系统上方塑料波纹管及通风管道等可燃部件。

某风电项目1 台风机运行时刹车系统频繁启停，且该故障可以自动复位，刹车系统频繁启停导致刹车片与刹车盘高速摩擦产生火花，引燃制动器下部易燃物，引发火灾。

3 机械刹车系统火灾预防措施

3.1 技术方面

针对常见机械刹车故障提出以下预防措施。

1) 将刹车位置状态信号接入SCADA 系统，刹车位置异常时及时报警停机，提醒运维人员现场检查。

2) 从刹车系统启动逻辑分析，机组未超速时，可以采用软件和硬件设计，避免主轴在高速转动情况下机械刹车装置动作。软件设计是主轴在高速转动时不允许机械刹车。在硬件设计方面可以在机械刹车系统的信号线路上加装一个转速继电器，当主轴处于高转速时保证刹车系统不动作，当转速低至一定的转速(例如200 r/min)时，再将安全链或手动刹车信号传输至刹车系统，该方法可以保证在非超速故障情况下，风力发电机组机械刹车。

3) 配备两套刹车反馈压力开关，实现重要保护双重化配置。

4) 机组故障实行分级管理，设置禁止远程复位(需就地检查复位)、可远程复位等级别。安全链动作、刹车位置异常或刹车信号消失等故障应设置为最高等级故障，禁止远程复位，运维人员需现场检查，确认无异常时方可就地复位。

5) 高速轴刹车系统设置刹车片磨损监测功能，超过限值能及时报警停机；高速轴刹车系统设置温度保护功能，刹车盘（片）设置温度测点或热敏开关，超过规定温度报警停机；液压系统设置油位油压异常报警功能，液压管路做好防磨、防漏措施，合理设置渗漏油接油盘或接油槽。

3.2 设备及管理方面

1) 机械刹车系统制动器和刹车盘配置耐高温材料的防护罩，避免刹车盘摩擦产生的火花或高温碎屑引发火灾。刹车盘配置挡油装置，避免因制动盘表面油污导致制动力下降或引发火灾。

2) 高速轴刹车系统周边的电缆、管路、接线槽(盒)完善防火隔离措施，如涂刷防火涂料、防火板隔断、防火泥(包)封堵等。

3) 机舱配备自动消防装置，当发生火灾时，通过自动检测判断，启动消防设施，达到灭火目的。

4) 对于可燃物问题，消除风电机组油污，降低火灾威胁。机组巡检时，发现油污应及时清理干净，保证高速轴附近无油污出现。

5) 定期检查高速轴刹车系统是否可靠动作，液压缸活塞及制动钳应无卡涩；定期检查制动盘刹车间隙和刹车片厚度，制动盘刹车间隙定位装置可靠固定，不应因为弹簧等装置的应力变化而导致间隙大小变化。发现间隙超限、刹车片磨损不均匀、刹车盘受损等异常情况，应及时进行调整或更换处理；对高速轴刹车制动时间、液压泵的自动启停进行测试，不满足要求时禁止启动风力发电机组。

4 结束语

高速轴刹车系统在风机高速转动过程中动作，刹车片与刹车盘侧摩擦，产生高温火花和熔融物，引燃制动器周围易燃物，极易引起火灾。以上从刹车系统常见异常刹车原因着手，在着火源、可燃物方面，从技术、设备及管理方面分析，提出解决异常刹车引发火灾的措施和建议。