采用状态监测和预防性维护策略维护风电机组偏航扭缆开关研究

国能云南新能源有限公司 普聿铭

在高原地区且气候潮湿的风电场，采用状态监测和预防性维护策略开展风电机组偏航扭缆开关的维护工作，能够提前发现和处理偏航扭缆开关存在的隐患和缺陷，可提高偏航扭缆开关的可靠性，对确保风电机组安全性和可靠性有重要意义。本文以某风电场为例，对采用状态监测和预防性维护策略维护风电机组偏航扭缆开关进行研究。

1 偏航扭缆开关在安全链中的作用

1.1 安全链的定义与作用

安全链是风力发电机组中的重要保护系统，其是确保风机在各种情况下都能安全稳定运行的关键措施[1]。安全链的定义可以概括为：一种通过串联多个可能对风力发电机组造成严重损害的故障节点，以实现机组故障时的紧急停机保护的系统，安全链的各个节点共同构成了风机的安全防线。安全链能够实时监测风机的运行状态，一旦检测到可能危及机组安全的故障或状态，如风力发电机组超速、振动超限、变桨安全链断开、变流器安全链断开、偏航安全链断开、PLC急停等，安全链会立即触发紧急停机程序，使机组迅速脱网并停止运行，避免故障进一步扩大，保证机组的安全。

1.2 偏航扭缆开关在安全链中的作用

偏航扭缆开关的主要功能是在风电机组运行过程中，监测机组的偏航位置和电缆的扭转程度。当机组偏航到一定角度使电缆扭转超过设定值时，偏航扭缆开关会触发安全链动作，使机组紧急停机，避免电缆过度扭转造成损伤。在风电场的实际运行中，由于风向的不确定性和机组偏航系统的误差，机组有时会发生偏航不到位或过度偏航的情况。此时，如果没有偏航扭缆开关的保护作用，电缆可能会因过度扭转使电缆绝缘受损，造成接地或短路，进而引发严重的设备故障和安全事故。而有了偏航扭缆开关的保护，一旦风机偏航角度超过设定值时，偏航扭缆开关内的偏航安全链触点会动作，断开偏航安全链，使机组停机并锁定偏航系统，避免事故的发生。

2 UP2000-121S型风机扭缆开关整定方法及定值选择

某风电场UP2000-121S型风电机组属于洒谷风电场的一期工程，位于云南省罗平县马街镇西侧的台地与上腊戈村以北的山脊之上，一期工程风电机组的海拔在2200m至2450m之间。风电场采用UP2000-121S型风电机组，其扭缆开关整定方法及定值选择如下。

2.1 UP2000-121S型风机的基本参数与特点

UP2000-121S风电机组的额定功率为2000kW，扫风面积在同类型机组中较大，这使得其在低风速区域具有更高的发电效率。该机组在年平均风速为5m/s的条件下，年等效利用小时数可达2000h，表现出良好的发电性能和经济可靠性[2]。UP2000-121S型风机采用了平台化设计和整机叶片集成一体化设计，通过应用最优能量捕获技术和降载控制技术等创新技术，进一步提高机组的发电效率。UP2000-121S风电机组已经完成了批量安装，并通过了中国船级社产品型式认证，证明了其在实际应用中的稳定性。

2.2 偏航扭缆开关整定方法的选择与实施

偏航扭缆开关能够监测机组偏航时的电缆扭转状态，并在必要时触发安全保护动作。在选择偏航扭缆开关整定方法时，应首先考虑整定的准确性，使用传统的旋转扭缆开关数圈数的方法，存在一定误差，而通过观察扭缆开关的编码器，在风机监控上的度数显示相应的旋转扭缆开关，不仅可以精确地对扭缆开关进行整定，也能同时验证扭缆开关的左、右偏航极限位置，以及左、右偏航安全链位置的设置是否发生了偏移，同时还能检测偏航安全链回路和信号是否正确。

2.3 偏航极限位置定值和偏航安全链位置定值的选择

对于UP2000-121S型风机，在进行偏航极限位置角度定值和偏航安全链位置角度定值选择时，第一应能保证风电机组机舱偏航到该角度位置时，通过偏航平台的电缆不发生因扭转受损的情况，与通过偏航平台至塔筒的电缆裕量相匹配，而且还应留有足够的安全余量；第二应确保风电机组能顺利地在360°范围内捕获风能；第三能成功地避开风电机组自动解缆设定的角度，且偏航极限位置角度定值和偏航安全链位置角度定值的数值不能过分接近，即｜自动解缆角度定值｜<｜偏航极限位置角度定值｜<｜偏航安全链位置角度定值｜。基于这三点考虑，某风电场的UP2000-121S型风电机组的偏航极限位置角度定值=±680°，偏航安全链位置角度定值=±720°。从2020年5月，风电场的UP2000-121S型风电机组投产至今的运行情况表明，偏航极限位置角度定值和偏航安全链位置角度定值的选择合理，能满足机组安全稳定运行。

3 某风电场UP2000-121S型风电机组偏航安全链故障的检测与处理

3.1 主控PLC对偏航安全链故障的检测过程

从图1中可以看出，当UP2000-121S型风电机组扭缆开关的左（右）偏航安全链触点断开时，输入到安全继电器456A2的I8（I9）口的24VDC信号中断，紧接着安全继电器456A2的O2口中断对偏航系统335K2接触器线圈的24VDC供电输出，从而阻断对控制左（右）偏航的接触器334K1（334K2）线圈的供电，使风电机组不能偏航，与此同时安全继电器456A2的O0口和O1口也中断24VDC供电输出，其中O0口中断对变桨安全链系统接触器335K1线圈的24VDC供电输出，断开变桨安全链；O1口中断对变流器安全链系统接触器15K6线圈的24VDC供电输出，断开变流器安全链。

图1 UP2000-121S机组偏航安全链原理图

但为了现场人员更方便地了解是左偏航安全链故障还是右偏航安全链故障，在安全继电器456A2的扩展模块456A7上，对应左偏航安全链故障的OA5口中断至主控系统DIO248模块3通道的24VDC输出，或对应右偏航安全链故障的OA6口中断至主控系统DIO248模块4通道的24VDC输出，使风机主控报出“左偏航安全链故障”或“右偏航安全链故障”，同时扩展模块456A7上OA8口也中断对主控系统DIO248模块8通道的24VDC输出，使主控PLC报出偏航层级安全链故障。

3.2 扭缆开关的测试

在2022年8月6日开展的某风电场SG20号风机（机型为UP2000-121S）年度维护过程中，现场工作人员对SG20号风机的扭缆开关进行了测试，主控PLC对偏航安全链故障检测的报文信息见某风电场SG20号风机偏航安全链测试记录表。从该表中可以看出SG20号风机偏航扭缆开关整定正确，主控PLC可以根据偏航扭缆开关和安全继电器的反馈，准确地检测偏航安全链故障，符合厂家的设计要求。测试结果详见表1。

表1 SG20号风机偏航安全链测试记录表

3.3 偏航安全链故障或异常的检查处理策略

UP2000-121S型风电机组发生偏航安全链故障后，应按照如下步骤进行检查处理：检查确认安全继电器456A2及其扩展模块456A7是否正常；检查确认偏航编码器及其信号输入模块ISI222是否正常，该步骤应结合偏航位置角度的数据分析进行；检查确认DIO248模块是否正常；检查确认偏航扭缆开关的24VDC供电是否正常；检查确认偏航扭缆开关的整定和机械转动是否正常。在根据以上步骤的检查情况消除偏航安全链故障后，还应检查偏航平台的电缆及其保护套是否受损，若有受损情况，必须严格按照厂家要求进行处理。

4 某风电场UP2000-121S型风机扭缆开关状态监测与预防性维护的实施

4.1 某风电场的气候特点及对扭缆开关的影响

某风电场属于高原季风气候，夏季受暖湿气流影响，多大雨；冬季受昆明静止锋控制，常阴雨连绵，全年的湿度较大，这就使得风电机组的运行环境较差，并且风电机组在运行过程中会发生摇晃和振动，扭缆开关在这种环境中的可靠性也会受到影响，整定的角度值也会发生偏移[3]。

4.2 状态监测与预防性维护的实施

在传统运维模式中，风电机组的偏航扭缆开关等安全链组件主要通过定期巡检来确保其正常运行。一旦发现故障，维修人员会进行故障后维修，更换损坏的部件以恢复机组的正常运行。这种策略的优点是实施简单易行。然而，其缺点也较为明显：一是无法及时发现潜在故障，可能导致安全事故的发生；二是维修成本较高，因为需要更换损坏的部件；三是机组的运行效率和安全性受到较大影响。

因此，在2022年某风电场根据现场实际采用了状态监测和预防性维护策略，来确保一期UP2000-121S型风机扭缆开关能够保持良好状态，其中通过定期分析UP2000-121S型风电机组的偏航历史数据、历史故障信息来实现状态检测；预防性维护则是根据状态检测的结果，在发生不可复位停机前，选择小风（通常风速＜4m/s）时段对扭缆开关进行检查，并及时更换有缺陷的偏航扭缆开关，尽可能减少停机造成的电量损失；在风机年度维护阶段，则是开展UP2000-121S型风电机组的偏航扭缆开关测试，做到对缺陷和隐患提早发现和消除。

5 效果和结论

效果：某风电场在2022年通过采用状态监测和预防性维护策略，开展了对UP2000-121S型风电机组的偏航扭缆开关的维护工作，及时发现并消除了偏航扭缆开关存在的隐患和缺陷，从2022年9月1日至2023年12月31日结束，某风电场的UP2000-121S型风电机组，未发生过因偏航扭缆开关有缺陷引发的故障停机，而在2021年1月至2022年4月，风电场发生了12次因偏航扭缆开关存在缺陷引发的故障。

结论：某风电场根据现场实际，采用状态监测和预防性维护策略，来使UP2000-121S型风电机组偏航扭缆开关保持良好状态的工作取得了预期效果，提高了偏航扭缆开关的可靠性，对确保风电机组安全性和可靠性有重要意义。