风电机组火灾现象、原因、防范浅析

2015-11-25易剑晖彭力李凯松郭远平

风能 2015年9期

文|易剑晖，彭力，李凯松，郭远平

摄影：黄斌

风能作为一种清洁能源，在全球能源结构调整转型中起到非常重要的作用。我国风能资源丰富，风电产业历经多年高速发展，装机容量早已经跃居世界第一。据中国可再生能源协会风能专业委员会（CWEA）统计，2014年我国风电累计装机容量为114608.89MW。目前，我国风电机组装机容量仍处于持续迅猛增长阶段。然而，随着风电机组的单机容量越来越大、运行时间越来越长，各种事故也越来越多，其中风电机组火灾事故占有很大比例且损失重大。

风电场往往建立在偏远地区，一旦着火，消防车很难及时到达现场。另外，风电机组往往安装在距离地面几十米甚至上百米的高空，发生火灾，在地面进行灭火难以见效。因此，风电机组自身的消防系统的可靠性显得尤为重要。

风电机组火灾现状及分析

一、风电机组火灾情况介绍

英国某风能机构发表的截止到2014年3月31日的全球风电安全事故的统计报告显示，在1549起风电机组安全事故中，毁灭性的火灾事故231起，占风电机组总事故的14.9%，位列第二，仅次于风电机组叶片损坏事故（289起，18.7%），其导致的损失则是最大的，几乎导致整个机组全部烧毁。风电机组逐年火灾事故统计如表1所示（截止到2014年3月31日）。然而，正如该报告所述，出于事故单位保密等各种原因，能够收集到并经证实的事故数量往往很少。在该统计报告中仅仅列出了163起，实际国内风电机组火灾数量应该比统计数据多。

表1 近年火灾数量统计（截止到2014年3月31日）

二、典型风电机组火灾事故

2009年7月，内蒙古锡林浩特市某风电场一台1.5MW的风电机组发生火灾，机舱和叶片全部烧毁，所有部件损伤，需要更换整机。经调查后发现，在风电机组在维修过程中，维修工人在机舱内使用电焊，不慎引燃机舱内泄漏积存的油脂而引发火灾。由于机舱内部齿轮箱、发电机润滑系统、偏航液压制动系统等部件都可能存在不同程度的漏油情况，这些废油，是造成这类事故的隐患。

2011年4月，甘肃瓜州某风电场一风电机组通讯中断，经过两次连接无法恢复通讯，随后该风电机组起火。调查后发现：由于变桨后备电源电池系统安装在机舱内，而主控系统蓄电池检测程序存在安全隐患，刹车系统和机舱罩存在故障和火灾隐患，在刹车的制动盘上附有大量油脂及齿轮箱底部存在废油的情况下，刹车系统变桨控制系统程序出现严重故障，导致桨叶未收桨、风轮超速、高速刹车系统长期工作，产生火源，造成风电机组整体烧毁。

2014年5月，内蒙古乌兰察布市某风电场发生风电机组火灾事故。据附近居民反映，风电机组起火后，风电机组机舱、叶片、轮毂等全部烧毁，消防设备根本无法起到作用，只能眼看着机组燃烧殆尽。事后分析得出，该机组在长期运行中，电气元件老化及晃动引发电气打火，机舱内部温度又高，最终导致事故发生。发电机与变流器及并网接触器连接的电缆、端子等随着机舱长时间摇晃，会发生不同程度的磨损与松动，也就是这类事故发生的根本原因。

从风电机组的结构和火灾原因统计分析，引发火灾因素主要有主轴、变速箱等润滑油泄漏摩擦产热、刹车系统产热、电缆过流、电气设备运行故障、变电设备故障、雷击和极端天气条件等。这类场所发生火灾属液体、电气或固体等类型火灾。另外，还有机组维护人员操作失误意外引发风电机组火灾等情况。

三、相关风电机组消防标准

德国国家标准DIN EN 50308－2005《风力发电机组防护措施的设计、操作和维修要求》包含风电机组的消防安全防护。

隶属于德国保险业联合会（GDV）的安防认证机构VdS于2007年制订了风力发电机消防系统测试认证标准VdS－3523《风力发电机组消防指南》。

2008年德国劳埃德船级社（GL）制订《风力发电机组消防系统评定规程》。

国内，2014年年底针对风电机组防火要求，中国工程建设标准化协会专门制定了风力发电机组消防系统技术规程（CECS 391－2014）。

四、风电机组消防的重要性

由于风电机组火灾事故的大量发生，近年德国在一些大型风电机组中设置了自动消防设施（REpower 5M）。目前我国的风电机组也在机舱内放置了灭火器，但无法完全保障风电机组安全。首先，机组无自动消防设施，不能发现早期火情，不能早期灭火，便无法控制火情。其次，火灾发生后救援人员无法及时赶到现场，即使到了现场，救援灭火设备面对火灾也是无能为力。因此，加强风电机组消防安全保护已刻不容缓。

风电机组火灾高频率的原因

风电机组火灾为什么频繁发生呢？究其原因主要有以下几个方面。

一、风电机组材料及结构问题

风电机组内部使用了大量的可燃、易燃材料，如：机舱内部有被油污沉淀污染的隔音泡沫；塑料机舱罩由玻璃增强热固性塑料、玻璃钢（Glass Reinforce Plastic，GRP）、玻璃纤维增强塑料制成；液压系统（如角度调整器和制动系统）存在油污；齿轮箱用油和其他润滑用油（如发电机轴承、低速轴轴承处）；变压器油等。这些易燃材料不仅是火灾隐患，同时也会加快火势蔓延的速度，导致事故急速扩大化。

二、风电机组运行情况

风电机组电气控制系统都是处于独立运行状态。风电机组运行时间长，电气元件及电缆存在不同程度老化，机械部件的磨损在维护周期外处于不可控状态。如果设备磨损超出正常工作范围，会造成非正常磨损，产生高温及摩擦火花。

三、风电机组所处环境

风电机组的设备主要部件都在60m、70m 高空，地理位置大部分都处在山顶或海拔较高地方，容易受到雷击。风电机组内部为封闭空间，如出现高温现象，热量不易散发。尤其在雷击发生时，在密闭的高温机组内部，大量金属部件及油脂极易燃烧致火灾。

四、风电机组消防设备配置

目前国内许多风电主机厂明知火灾风险高、损失大，但是迫于国内风电行业的发展政策，在市场低价恶性竞争的情况下，却不能采用有效的自动消防系统。因此，国内陆上风电机组的消防设备基本上都是在塔基和机舱内部各放置数个手提式灭火器。正是这个原因，风电机组在无人的情况下易发生火灾，在引发火灾前期不能有效遏制火源及火势发展，最终造成严重事故。

风电机组火灾的防范

一、设备巡检

风电机组内部作业结束后，要加强防火巡查，对机舱内泄露的齿轮油等可燃物必须及时清理，禁止在风电机组内部遗留杂物，特别是油污棉丝等易燃物。要定期检查电路、电缆、电源主回路电缆端子连接质量，确保各部位接地系统安全、可靠、绝缘性能良好，防止虚接引发火灾。定期检查风电机组机械部件运行状态，特别是活动部件，如出现损伤、松动等问题，应及时更换或维修。

二、防雷设计

预防雷击起火，必须依据风电机组类型，调整雷电过压保护。为提供最佳保护，风险评估必须考虑到雷击的可能性路径。疏通雷电流导入大地是安全的必要保障，如果雷电流不能及时接入大地，产生击穿或大能量释放，就可能引发火灾。例如，雷电击中叶片，然后经主轴、机舱和塔筒传至基座。通常需要安装避雷针或避雷器，避免风电机组低压系统由于直击雷而导致过压和高电流。

三、油脂控制

在风电机组内可能泄露油脂或者废油脂排出的地方，应当设置相应的设备妥善储存。发电机油脂润滑后废油排出口通常在发电机前、后两端轴承下部，离发电机轴承距离很近，在轴承高温状态下，容易引发火灾。齿轮箱出现泄露时，很可能会飞溅至高速运转制动盘上面，带来火灾隐患。必须针对相应部件进行废油收集设计，使废油处在相对安全位置，由此降低风电机组火灾发生几率。

及时清理长期泄漏积存的液压油、润滑油等。废油收集到一定量，总会有泄露的危险。加强平时维护周期，改善风电机组运行状态，减少废油排放并按时清理。

四、加强消防设备

消防设备的配置要从灭火意识改进为主动防范意识，消灭火灾于隐患阶段和火灾初始阶段，规避火灾带来的影响与损失。

从电气技术角度加强消防预防，包括熔断器、断路器以及剩余电流监控设备在内的消防技术，选择性识别故障并及时切断故障的电气设备，例如变压器、导体或发电机。另外，消防系统必须确保能够立即停机，并向远程监控系统发送故障信息。此外，交叉保护的理念很必要，相邻设备之间的保护装置紧密相连，以达到为彼此提供后备保护的效果。比如，一个合适的配置，不但可以预防由于低压系统中的电弧故障及断路器故障而引起的过火风险，而且能够诊断故障并自动打开变压器高压侧的中压开关，使故障组件能够有选择地从系统中被断开。

摄影：贾宁

如果在层层预防措施下，火灾还是不可避免地发生了，那么必须做到在第一时间能监测到火灾信号，采取有效措施及配置自动灭火系统能够将损失降到最低。报警系统对烟雾、热量及火焰必须具有高度敏感性，可同时进行视觉监测及热监测，能够提早监测到火情并向中央火灾报警系统传送信息，由此可以立即关闭风电机组并启动灭火系统。为了最大限度确保安全，所有关键点都需安装指示器，从机舱、控制柜一直到基座。

风电机组的高度和位置给传统防火方式提出了极大考验。现代自动灭火系统优势明显，一旦爆发火灾，报警系统能立即激活。采用多种不同类型的灭火技术相结合可以实现最佳防护。对电气系统而言，最合适的是气体灭火，使用二氧化碳、氩气或氮气，能够迅速可靠地熄灭火源，而灭火剂对敏感电子设备也不会造成损害。而现代水气化技术则对控制明火十分有效，当机械部件如机舱、液压装置或制动器起火时，该技术是最佳选择。这些灭火系统通过喷射细水蒸汽，能够迅速熄灭明火并且有最佳的冷却效果。