风电机组重大事故分析（三）

文 | 王明军，邵勤丰

风电机组重大事故分析（三）

文 | 王明军，邵勤丰

据英国风能机构的不完全统计，截至2009年12月31日，全球共发生风电机组重大事故715起，其中火灾事故138起，占总数的19.3%，位列第二位。2010年欧美等国新增火灾事故7起，其中2起火灾对作业工人造成了严重烧伤。因此，火灾已成为继雷击后第二大毁灭性风电机组灾害。2006年中国台湾烧毁了2台2MW的风电机组。在最近一期的《火灾科学》杂志上，来自伦敦帝国理工学院、爱丁堡大学和瑞典SP技术研究院的几位研究人员联合发表了他们的研究成果。在对全球20万台风电机组进行了评估之后，这个研究小组认为，风电机组发电机的火灾发生率比业内普遍认为的几率高出10倍。当前，公开报道的全球风电机组火灾发生率平均为每年11.7起，而研究人员认为，每年至少有超过117起风电机组着火事故发生。

风电机组火灾事故中国有，国外也有。有些重大事故可以预防，甚至完全可以避免。然而，在降低和避免重大事故发生的同时，我们不仅要讲求科学，还需要综合考虑成本因素，不能不计成本地采取过度的预防措施，把概率极低的事件当成必然事件加以考虑，将不利于机组度电成本的降低。

仅就预防、避免机组烧毁与倒塌事故而言，它不仅与机组本身的设计、质量、运行和维护有关，而且，还与箱变等其他设施有着密切的关系，本文介绍一起因变桨故障造成主轴刹车器长时间持续制动，摩擦起火，最终导致机组完全烧毁。通过对该事故的分析，找出行之有效的预防措施，避免类似事故的再次发生。

事故简介

某风电场一兆瓦级双馈空冷液压变桨风电机组，该液压变桨系统由一个油动机控制三支桨叶。

事故发生时，离机组较近的人员发现高速旋转的风电机组出现了冒烟、起火。事发时风速很大，机组旋转速度相当高，先是机舱出现了冒烟，在出现火苗以后，叶轮转速有所降低，但是，其旋转速度也比平时快。当机舱出现爆炸声后，机组的旋转速度降了下来，当天晚上叶轮还在低速旋转。

图1 机组着火之前的齿轮箱滤油器与油泵电机（ABB）状况

图2 机组着火后的齿轮箱滤油器及主轴刹车器状况

图3 事故后的齿轮箱油泵电机机壳状况

图4 事故后掉落在地上的齿轮箱油泵电机定子状况

事故勘测

一、机组维修中发现的问题

在事故前的一次维修中，拆卸液压变桨系统油动机时，现场人员发现：该机组变桨系统油动机内部的密封圈磨损严重，且缸体内壁有杂质附着；拆卸油动机集成块上的电磁阀时还发现，其中有两个电磁阀上的O型密封圈丢失，在此油动机集成上共有5个电磁阀，其中两个是紧急顺桨电磁阀。

二、现场勘测

（一）齿轮箱油泵电机及滤油器

比较图1与图2，可以看出齿轮箱滤油器和齿轮箱油泵电机的外侧正对刹车盘。事故之后已经看不到齿轮箱油泵电机，齿轮箱滤油器右侧融化严重，下部完全脱落。

如图3所示，齿轮箱油泵电机的外侧完全融化，靠近主轴刹车器的齿轮箱油泵电机外壳已经融化，并且，油泵电机铁皮的罩壳被融化后，已不见踪迹；图4是齿轮箱润滑油泵电机的定子线圈，定子铜线圈严重变形，部分已经融化，在油泵电机外壳融化后，因重力的作用，电机的定、转子全部掉落到地上，而机舱上的变桨油动机液压站的电机和变桨系统油动机液压油冷却系统的风扇电机因没有正对主轴刹车器，事故后这两个电机的任何部位均未见烧熔的痕迹。

（二）主轴刹车器、刹车器罩壳以及主轴刹车盘

该机组使用的是主动式刹车器，如图5所示，主轴刹车器安装在齿轮箱高速轴正上方。主动式刹车器，又叫常开式刹车器，主轴液压站上的电磁阀得电，给主轴刹车器供油，刹车器刹车；电磁阀失电，主轴刹车器卸油、失压，主轴刹车器上的弹簧使刹车器松开。

安装在齿轮箱上刹车盘如图5所示，事故机组主轴刹车盘的两侧都磨损了3－5mm，从图中可以看出刹车盘边缘出现了较深的飞边，从刹车盘的颜色还可以看出，在主轴刹车制动时，刹车盘的温度很高，磨损严重。

刹车盘与刹车器之间的间隙状况，如图6、图7所示。图中可以看出，机组烧毁之后，刹车片与刹车盘之间的距离很小，在刹车器的右侧有融化沉积物，左侧刹车片的刹车材料部分全部磨损，右侧的刹车片只有中部还有部分刹车材料。

刹车片由两部分组成，有8mm的刹车材料和12mm的铁基组成，正常情况下，当刹车片磨损3mm就会报警更换刹车片；此次事故中两边刹车片磨损相当严重，基本把16mm的刹车材料全部磨损消耗掉了，左侧的刹车片铁基部分已经严重变形。

如图8所示，整个主轴刹车器罩壳除了固定端还有部分金属残留物外，其余部分全部融化。

（三）监控数据记录

1、机组报警记录

机组在事故之前正常并网发电，6分01秒报“变桨机械故障”，机组不能正常顺桨，风速较大，转速继续上升；6分02秒超过阵风设置值1890rpm，有“阵风”报警，没能按主控指令顺桨，转速继续上升；6分04秒报 “齿轮箱超速”；6分05秒同时报出的故障有：“变频器报超速”、“变频器正常信号出错”、“发电机超速”、“低速轴超速”、“变桨速度太慢（报此故障，主控要求紧急顺桨，并主轴刹车器参与制动）”，机组脱网，主控发出指令要求主轴刹车器参与制动。

机组脱网甩负荷，转速迅速上升，6分06秒机组报“齿轮超速紧停”、“齿轮箱超速卡紧停”、“安全链断开紧停”；报“低速轴超速紧停”、“低速轴超速卡紧停”。

机组三支桨叶同时不能顺桨，主轴刹车器长时间参与制动，刹车片迅速磨损，在6分30秒报“刹车盘磨损”；主轴刹车制动产生的剧烈火花把齿轮箱油泵电机烧坏，或把齿轮箱油管烧爆漏油，6分37秒机组报“齿轮油压过低”。

2、机组的功率和风速数据

从主控所记录的数据来看，事故机组在6分05秒脱网时的瞬时功率接近或超过满发状态。

5分30秒至6分00秒的30秒平均风速为11.97m/s；6分00秒至6分30秒的30秒平均风速为12.77 m/s；6 分30秒至7分00秒的30秒平均风速为11.38 m/s；7分00秒至7分30秒的30秒平均风速为10.48 m/s；因传感器或线路烧毁，其后不再有风速数据。

从风速数据来看，机组在事发时平均风速在10 m/s以上。

3、机组事故时转速数据

6分01秒报故障停机之前，机组一直处于正常发电状态，在6分00秒瞬时转速为1831rpm，6分02秒触发“阵风”报警，阵风转速设定值为1890rpm。

主控在6分05秒发出指令主轴刹车器参与制动，6分30秒瞬时转速为2501rpm，在7分00秒，其瞬时转速仍然高达2869rpm。由此可见，在主轴刹车器参与制动后的初期，高速轴转速不仅没有降低，而且还在上升。

图5 刹车盘与主轴刹车器

图6 主轴刹车器间左侧图

图7 主轴刹车器右侧间隙

图8 主轴刹车器及主轴刹车器罩壳状况

在7分30秒后因主轴刹车器的制动，或变桨系统的油动机油管破裂后，因总油压降低部分顺桨等因素，机组转速不断下降：

7分30秒的瞬时速度为2147rpm，在30秒内高速轴速度降低722rpm；

8分00秒的瞬时转速为1873rpm，在30秒内高速轴速度降低274rpm；

8分30秒的瞬时转速为1602rpm，在30秒内高速轴速度降低271rpm；

9分00秒的瞬时速度为1543rpm，在30秒内高速轴速度降低59rpm；

9分30秒的瞬时速度为1426rpm，在30秒内高速轴速度降低117rpm；

10分00秒的瞬时速度为1303rpm，在30秒内高速轴速度降低123rpm。

其后，由于火势的蔓延，传感器、线路或主控等部件烧毁，监控不再有机组的转速数据记录。

在6分05秒发出主轴刹车指令到10分00秒的3 分55秒内，风速较高，高速轴转速下降到10分00秒的1303rpm，说明在这一段时间内高速轴一直处于制动状态，且制动力矩很大。

事故原因分析

在风速较高时，并网机组因液压变桨系统的比例阀和紧急收桨电磁阀堵塞、卡死出现变桨故障，造成三支桨叶同时不能顺桨；主轴刹车器制动，因长时间地持续摩擦而产生巨大热量导致机组烧毁。

一、桨叶不能顺桨原因分析

该机组采用的是液压变桨系统，由1台油动机控制3个桨叶，在吊装调试运行之后，轮毂变桨故障时有发生。当机组出现 “硬件超速停机”，伴随报出变桨相关故障，清洗或更换控制桨角变化的比例阀后故障解决。

由故障现象和原理分析，比例阀堵塞与机组报超速停机有必然的联系，在运行过程中，比例阀堵塞必然会造成三支桨叶不能同时顺桨，机组转速不断上升，触发“硬件超速”停机，紧急顺桨电磁阀动作，机组顺利回桨。

如果比例阀和紧急收桨阀同时卡死，必然造成三支桨叶无法安全顺桨。

油动机活塞杆在油缸内运动时，会产生磨损，而油动机腔室的油循环是封闭的，且没有滤油系统，在循环油中，密封圈或活塞杆磨损产生的杂质层，不能排出，比例阀的间隙又很小，这可能造成比例阀堵塞或卡死；另一方面，在事故前的一次维修过程中发现，油动机集成块上电磁阀O型密封圈丢失，缺失的电磁阀密封圈和挡圈可能留在油动机集成块中，油中杂质和密封圈均可能导致电磁阀通道堵塞、电磁阀卡死。

因此，油动机活塞杆及密封圈磨损不断地产生杂质，油动机循环油又缺乏过滤装置，加之电磁阀的密封圈的丢失，埋下了机组飞车的安全隐患。

紧急顺桨电磁阀有两个，分别位于活塞的两侧，一个进油，一个出油。只有两个同时动作，方能执行紧急顺桨；如果有一个紧急顺桨电磁阀不能动作，就不能完成正常的紧急顺桨。

事故发生时，机组在满负荷风速以上报了“变桨机械故障”，说明调桨比例阀出现问题，转速无法进行正常控制，其后又报“阵风”故障、“变桨速度太慢”等故障，6分05秒机组脱网，到7分00秒，瞬时转速还高达2869rpm，这远超过触发紧急顺桨的转速设定值，这说明在事故发生时，不仅比例阀堵塞，而且紧急顺桨电磁阀也出现了堵塞、卡死，最终造成油动机不能卸压，三支桨叶同时不能顺桨。

二、机组着火点分析

从主控数据可以看出，主轴刹车器参与高速制动的时间至少在3分钟以上，6分05秒发出命令，主轴刹车器参与制动，到10分00秒主轴刹车器还处于高速制动状态；从现场勘测来看，主轴刹车器制动持续产生的热量和火花，一方面，导致主轴刹车器和刹车盘磨损严重，刹车器罩壳、齿轮油泵电机、齿轮箱滤油器等融化；另一方面，还导致齿轮箱油管破裂、变桨油动机液压站和主轴液压站的油管破裂液压油泄漏，进一步加剧了火势。

事故之后，刹车盘磨损相当严重（如图5），主轴刹车器两边的刹车片也严重磨损，然而，图6、图7所示刹车片与刹车盘之间的间隙并不大。刹车盘和刹车器磨损、主轴刹车器液压站彻底失压，加上刹车器弹簧力的作用，刹车盘两边的间隙均应该在10mm以上。由此看来，过火后刹车器间隙不大，主要是由于事故时主轴刹车器制动产生巨大的热量使刹车器的温度很高，刹车器上弹簧退火所致。

且主轴刹车器油管和液压站离起火地点较远，主轴刹车器的油管烧毁较晚，因此，在机组起火的初始阶段液压站给主轴刹车器持续提供压力，使其一直处于制动状态，并在主轴刹车器上持续产生火花。在主轴刹车器油管烧爆后，主轴刹车器失去压力，本应由弹簧力的作用自然松开，但是，此时刹车器弹簧由于刹车器的高温使其退火，已经失去弹性，不能让刹车片回到应有的位置。通过以上分析可以推断，刹车器的发热相当严重，其制动过程中温升很高。

再者，齿轮箱滤油器外侧较内侧融化严重，滤油器的下部全部融化、脱落；齿轮箱油泵电机罩壳和散热层的融化，定、转子脱落，刹车器罩壳大部分融化。由此可见，主轴刹车器制动长时间制动产生的热量巨大，也是机组烧毁的根源所在；另一方面，从刹车器附近烧毁的器件可以推断，这种因主轴刹车器长时间、持续地制动而引发的摩擦起火，常规消防灭火装置容量有限，无法长时间工作而起不到灭火作用。

三、机组烧毁的根本原因

三支桨叶同时不能顺桨是机组烧毁的根本原因。事故时，叶轮的三支桨叶同时不能顺桨，加大了主轴刹车器的制动力矩，制动时间也大大加长，引起长时间的制动摩擦起火，导致机组烧毁。

主轴刹车器的功用主要是便于机组的维护和维修，同时，在一定的情况下，运行机组故障时对机组安全起作用。如果风速较低或桨叶部分不能顺桨时，可以使机组安全停下来，且不会造成事故的扩大。但是，在机组的三支桨叶同时不能顺桨的情况下，叶轮的转速较高且具有巨大的角加速度时，此时主轴刹车器制动不仅会造成主轴刹车器制动起火，而且由于主轴刹车器制动时产生的巨大反向扭矩，还会使机组倒塌。例如，某风电场机组倒塌、烧毁事故。风速较高，运行机组故障脱网，三支桨叶同时不能顺桨，先是主轴刹车器制动使机组完全停下来，短暂停机后，机组又再次迅速启机。第一次停机主轴刹车器制动造成了机舱起火，叶轮再次旋转起来后，机组硬件超速，第二次制动造成机组倒塌。

在运行机组故障时，主轴刹车器制动所消耗的能量主要来自三个方面：机组在正常发电时叶轮所储存能量；在机组甩负荷之后到主轴刹车器制动之前，机组所吸收的风能；在主轴刹车器的制动过程中，叶轮所吸收的风能。

与其他的风电机组烧毁、倒塌事故相比，此次事故在主轴刹车器制动时叶轮的角加速度较小，叶轮转速相对较低；主动式刹车器制动扭矩比被动式小（小于两倍满负荷扭矩），且变桨油动机液压站的油管烧毁破裂使叶轮部分顺桨，因此，此次事故仅造成了机组烧毁，而没有倒塌。

四、事故再现

结合监控数据及现场实地查看风电机组烧毁情况，推断风电机组烧毁前后运行情况：6分00秒之前，机组一直处于正常运行发电状态，瞬时转速为1830rpm左右，机组处于满发状态。已超过额定风速，机组不断调桨，在调桨过程中，比例阀卡死，触发“变桨机械故障”，机组桨叶不能顺利顺桨，转速上升，触发“阵风”报警，在6分05秒时同时报“变频器报超速”、“变频器正常信号出错”、“发电机超速”、“低速轴超速”机组迅速脱网、甩负荷，因不能顺利收桨，脱网之前机组瞬间的运行功率超过满负荷功率，因6分05秒时还报了“变桨速度太慢”，主控发出主轴刹车器制动的指令，由于甩负荷后飞升转速较高，主轴刹车器的时滞以及瞬时风速的上升，在主轴刹车器制动后，叶轮转速继续上升，6分30秒瞬时转速为2501rpm，7分00秒瞬时转速达到2869rpm，机组旋转速度相当高，同时，主轴刹车器制动产生的巨大热量和火花导致“机组冒烟”。

刹车盘和刹车片磨损剧烈，刹车片迅速消耗，6分30秒机组报“刹车盘磨损”，刹车器产生的热量及磨下的高温金属磨削使周围部件损坏、着火，齿轮箱油管破裂、油管漏油，6分37秒触发“齿轮油压过低”，加剧了机舱的着火面积。主轴刹车器参与制动一段时间后，“出现了火苗现象”，因制动力的作用，其后速度有所降低，10分00秒瞬时速度还有1303rpm，比机组的最低转速1000rpm还高。

火势蔓延扩大，变桨液压站油管烧爆，由于变桨液压站压力较高，压力在190bar－220bar以上，且氮气罐储能较多，油量较大，因此，在油管烧爆时，伴随着爆炸声，当变桨液压站的油路烧爆后，卸掉了部分油动机压力，叶片有一定的收桨，旋转速度下降，但是，由于比例阀和紧急顺桨电磁阀已经卡塞，不能完全卸去油动机压力，叶片未能完全顺桨，主轴刹车器的油管烧爆，主轴失去制动。因此，当天晚上叶轮还在低速旋转。齿轮箱、主轴液压站、变桨液压站内的油不断流出，火势蔓延，直至整个机组完全烧毁。

经验与总结

从此次事故可以看出，对液压变桨系统机组的运行经验缺乏，对液压变桨系统的故障隐患还没有足够的认识，比如运行时已多次报“变桨机械故障”、“变桨速度太慢”等变桨故障，在没有深入分析彻底排除故障机组的情况下仍然运行，埋下了机组烧毁的安全隐患。

动力油中的杂质会造成比例阀和其他阀体堵塞卡死，对比例阀堵塞会造成三支桨叶同时不能收回；对于比例阀和超速卸压同时故障时，必然会造成机组烧毁、倒塌事故的发生。

从设计来讲，此液压变桨系统有待完善，该机组的控制系统和安全卸压装置有待完善；机组硬件、控制软件都还需不断地完善和改进。具体改进措施可以从以下几方面着手：

第一、增加紧急卸压阀保护，采取多道冗余控制保护设计；虽然该机组的控制软件和硬件有多道硬件超速设置，但均控制的是同一个电磁阀，可以增加执行机构数量提高机组的安全性。

第二、在设计活塞和活塞杆时，应尽量避免和减少油动机活塞在运动过程中杂质的产生；增加油动机系统的动力油过滤装置。

第三、增加液压变桨系统的自检程序，例如超过规定时间对紧急电磁阀进行自检，或者是在每次启机时均对紧急顺桨电磁阀进行自检。

第四、此液压变桨系统在机械结构上采用的是一个油动机同时控制三支桨叶的方式，可以改成三桨叶由分别的油动机独立控制。

第五、通过远程通讯实时准确地检查机组安全性故障，提高现场人员的思想素质和技术水平，尤其是加强维修、维护人员和业主的机组安全意识，以及对现场人员的培训工作，预防重特大事故的发生。

总之，对于变桨风电机组来说，三支桨叶同时不能顺桨的情况严重危及机组安全，在设计、装配、维修、维护时都应当注意。通过多种技术手段，提高人员素质，以避免机组烧毁事故的再次发生。

结语

风电机组烧毁事故，损失很大，我们不能逃避责任，敷衍了事，采取回避的态度，当事故发生之后，应追寻事故发生的根本原因，有的放矢，才会收到良好的效果。

从绝大部分风电机组烧毁事故来看，大都是由于雷击、电器、线路起火，或机组在运行过程中，因制动或旋转部件损坏而造成剧烈摩擦引发火灾。可以通过完善设计、增加安全意识、提高从业人员的业务素质等主动措施降低火灾事故的发生率，而不是一味地增加消防系统等被动防火措施。

在机组事故发生后，如果对风电机组的烧毁、倒塌事故所产生的原因还没有查清，事故分析人员匆忙得出结论，甚至得出错误的结论，就会为日后的工作留下很多隐患。由于事故的根本原因没有查清，所采取的预防火灾措施无的放矢，投入了大量的人力、物力和财力，增加了不少的成本后，既不能解决问题，而且还隐藏了机组真实的安全隐患，结果类似的事故可能仍会再次发生。

风电机组的运行环境恶劣，在主控设定的条件下自动控制运行，因此，我们要以预防为主，不仅要防止风电机组烧毁、倒塌事故的发生，而且还要考虑到风电机组的生产、运行和维护成本，最终达到机组在20年内成本较低，甚至更长时间内达到度电成本最低。

（作者单位：王明军，东方汽轮机有限公司风电事业部；邵勤丰，东方电气自控研发中心）