风电机组变桨通信故障原因分析及日常维护

2018-10-26金崇会郎立慧

中国科技纵横 2018年17期

金崇会郎立慧

摘要：根据风电场风机多年运行经验，总结了风机变桨通信系统常见故障，通过对故障有效分析，旨在为同类型风机变桨通信系统故障处理提供快速解决方案，并提供相应的日常维护方法。

关键词：变桨；通信系统；故障分析；维护

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0169-04

鄞州风电场联合动力风电机组为2MW机型，采用华电天仁电动变桨系统，通信方式为Profibus现场总线，自投产以来风机变桨系统通信故障较为突出，其中2016年30台风机中就将近有10台次风机报变桨通信故障，损失电量占总故障电量的17%，故障时间占总故障时间的12%，故障时间长、损失电量大是变桨故障最大特点，因此如何有效快速解决故障，提高风机运行可靠性至关重要。主控和变桨系统信号是通过滑环转动部件相互连接，且变桨位于旋转轮毂内，风机长期运转各项部件磨损在所难免，因此日常的维护方式也极大影响变桨通信稳定性。

1 变桨通信结构及工作原理

1.1 变桨通信系统结构组成

变桨通信系统主要由四部分组成，分别是主控MPC240、滑环、3个变桨CPU（BX3100）、通信线及接头。变桨系统由3个轴柜组成，信号从塔基柜CPU（MPC240）控制器发出经机舱柜Profibus-DP转接模块到滑环，再由滑环传入到变桨系统，依次经过轴A、轴B、轴C，最后在轴C经过终端电阻形成完整的闭合通信回路[1]。

图1-2所示，接头功能主要是连接pfofibus电缆和站点，接口采用RS485串口，为9针式插口，一路进线端子，一路出线端子，内置终端电阻，通过ON/OFF打开或关闭终端电阻。当开关打到ON时，进线端子接到内置终端电阻上；当开关打到OFF时，进线端子与出线端子连通，与内置终端电阻不连接。

风电变桨滑环是指变桨通讯滑环，主要由滑环体、电刷组件、精密轴承、电刷固定支架、外罩组成；其中滑环体和电刷的质量将直接影响滑环的可靠性和寿命，在滑环中俗称摩擦副，一般配对使用。滑环是风电机组主控和持续旋转的轮毂变桨电源、信号和数据通讯的关键设备，变桨滑环在整个风电机组的价值占的份额很低，但滑环的任何故障将会给风电机组带来停机故障，滑环的可靠性对风电机组的稳定运行至关重要[2]。本次分析的滑环斯特曼（图3所示）内部为轨道式，前部槽盒为电源接线，后部为信号接线。内部结构相对较简单，主要通过内置圆盘接触面进行传导，但一般通信传导接触面都采用较昂贵的镀金工艺，通信质量要求非常高，因此滑环不建议经常打开巡查，防止进入过多灰尘等异物影响通信质量。

通信线采用RS485屏蔽电缆（图4所示），一红一绿两根信号线，内置编织网屏蔽层（接地处理），可以有效防止信号干扰，提高电磁兼容能力。

BX3100模块（图5所示）为变桨系統PLC，内置通信耦合器，三个轴柜系统各配置一个，PLC上有相应的地址拨码，可以根据通信需要进行地址选择，如果地址拨码错误会影响自身站点通信。PLC上左侧现场总线9针插口为通信接头连接点，系统具有通信质量检测功能，LCD显示屏及指示灯会有相应故障显示。

Profibus-DP模块（图6所示）为主控通信转接口，主要功能是将通信接头与主控系统有效耦合，快速传递主控-变桨之间信息。

1.2 变桨通信工作原理

Profibus（Process FieldBus-过程现场总线）为开放式现场总线系统。其由Profibus-FMS，Profibus-PA和Profibus-DP三部分组成，其中Profibus-DP主要应用于现场级，是一种高速的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用，因而可满足快速又简单地完成数据的实时传输，2MW风机变桨系统正是使用此类通信方式，高效传输变桨数据[3]。

Profibus-DP有多主站和单主站两种通讯结构，而目前风机使用的为单主站方式（图7所示），其余设备为从站，网络属于纯主-从系统，主站与从站之间通讯为主从轮询方式[4]。通信主站为塔底CPU（巴赫曼MPC240），机舱控制系统为1个从站，变桨轴柜A、B、C各为1个从站，总共5个站点，站号依次为1号、2号、51号、52号和53号。通信利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流。由于塔上塔下传输距离较远，采用光纤介质；机舱柜和变桨系统之间采用屏蔽双绞线，为RS-485协议，其传输技术为半双工通信方式。

图8-10所示，变桨通信从机舱的DP接头传输到3个变桨轴柜为RS485现场总线，根据通信要求，在首尾各需要形成一个终端电阻（220Ω），因此接头首尾必须拨ON，而中间接头全部拨为OFF，屏蔽层接地处理，形成良好变桨通讯。

变桨系统在运行过程中时时进行数据交换，通讯故障检测时间为1秒。上述任何一环出现故障都会影响通讯，安全链动作，风机立即停机。

2 变桨通信常见故障

变桨通信常见故障有滑环异常、通讯线损坏、模块及程序异常等。数据统计发现在投运初期，接线及拨码等出厂检验不严格，造成变桨通信不通畅等问题较突出。在运行后期大部分故障为通讯线损坏引起，同时滑环故障以及日常运行维护不规范也对变桨通讯产生较大影响。

2.1 变桨滑环异常

变桨滑环为旋转部件和固定部件的转换系统，主要是将机舱的变桨通信线接入到变桨系统内，安装在齿轮箱侧，与主轴运行速度同步。当风机长期运转时，滑环内部旋转接触面会不断积累金属粉末，同时由于部分滑环密封性差，外部灰尘、杂质、油脂或湿气等异物进入滑环内部，容易造成内部接触不良，进而引起通讯异常。此类故障主要是引起通信闪断，但信号不会长期丢失，故障较难判断。滑环运转过程中振动过大，或者齿轮箱和滑环连接不牢固（图11所示），在风机并网运行时通信同样易受干扰，闪断现象较频繁。

2.2 通信线故障

变桨通信线主要分为两部分，分别是机舱到变桨的Profibus电缆和塔底到机舱的光纤，两者缺一不可。塔底到机舱的光纤不仅影响变桨通信，而且也会影响机舱其它系统的通信连接，具有通用性；机舱Profibus电缆主要是影响变桨通信，具有唯一性。但后者故障概率要远远高于前者。

2.2.1 Profibus电缆故障

Profibus通讯线从机舱柜的DP模块连接到滑环，滑环转接到变桨PLC，总长将近10米。在风机运行过程中，穿过齿轮箱到变桨内部的线缆由于旋转运动，以及线缆不断摩擦，易发生磨损；过长的通讯线在传输过程中，如不做好信号屏蔽工作也容易受干扰。故障主要表现形式为变桨通讯闪断和通讯线折断。

（1）变桨通讯闪断。Profibus通讯线外部包裹有屏蔽层，一般会在设备首尾以及机舱柜内进行接地（图12所示），在设备到场后往往有部分风机出现接地不良情况，进而无法有效做到外部信号屏蔽，造成内部信号受干扰。此时应该全面排查屏蔽层接点，做好屏蔽层绑扎措施。同时信号线布置时应尽量远离强电，如果动力电缆与信号电缆混放，由于电力电缆多为非屏蔽电缆，其交变电流会在周围产生交变的磁通，会对通讯线产生电动势，进而产生电磁干扰[5]。（2）变桨通讯线折断。RS485通讯线由一红一绿两根信号线组成，且都为硬线，在风机旋转过程中，穿入主轴到轮毂的信号线由于长期旋转，加上部分风机信号线外部包裹不严造成通讯线折断现象时有发生，轻者变桨通讯闪断，重者变桨通讯不可恢复性中断，此时故障判断可以用万用表直接进行通断测量。变桨滑环穿过主轴和齿轮箱到变桨轴柜一般有备用通讯线路，当发生电缆线路损坏时，可以使用备用线路作为替代，但使用前必须校验保证线路完好。

2.2.2 光纤故障

光纤从塔底到机舱长度约为80米，要经过塔筒马鞍弧等处，虽然光纤自身通讯质量较稳定，但长期在恶劣环境下运行部分光纤会出现衰减，影响通讯质量；同时经过马鞍弧等处的电缆相对较多，如果没有较好的防护，长期受挤压磨损也会影响通讯质量。此类故障可以通过光纤测试仪等进行测量判断。

2.3 模块及程序异常

变桨系统模块主要部件为主控MPC240、变桨BX3100和DPM200。模块类故障主要分为3类，分别为模块损坏、站点异常以及程序错误。

变桨BX3100模块上方有通讯耦合器，轴A、轴B、轴C各自一个可拨站点，但为固定模式，不能随意更改（图13所示），不然对应本站点的通讯会出现异常；模块损坏一般故障灯都会有相应显示，只要及时进行更换即可；风机变桨相关控制程序主要在MPC240和变桨BX3100模块，程序错误风机往往无法启动，三个变桨轴柜PLC都是使用相同的硬件和软件，因此可以互换进行变桨故障判断。如控制程序错误应该先刷新程序，刷入后还有异常且程序版本无误应尝试更换新的主控模块。

2.4 通信接头故障

通信接头是连接电缆和模块的主要器件，通讯接头故障主要分为两类，分别是通讯接头拨码错误和接头损坏故障。

（1）拨码问题。接头拨码在机舱内为ON，变桨系统轴A和轴B为OFF，轴C为ON，如果此时接头没有遵循此类拨码要求，那通讯极有可能出现异常。为有效判断故障，可以使用万用表测量通讯电阻，保证阻值在正常范围内，当测量单个接头电阻时电阻值应为220Ω，如果整体测量电阻应为110Ω，为保持测量准确性，测量电阻时应尽量保持总线上所有接头脱离模块。（2）接头损坏。接头内置有偏置电阻，前部为9针插口，接头损坏原因主要有电阻异常、拨动开关损坏以及接线错误。其中接头通讯线标准接法是1A和2A为绿色、1B和2B为红色（图14所示），不可随意互换。

2.5 Harting连接异常

滑环和变桨轴柜电缆线为保证良好通讯连接，全部采用harting重载接头，内部为冷压针形式连接电缆（图15所示），但随着使用年限的增加部分针头和线缆可能会出现松动或脱落情况，导致通讯异常。在检查harting接头时尤其要注意压针手法，因为冷压针型号各异，压线钳口选择不同，针头压接不紧容易松动，压接过紧可能损伤针头，在制作过程中最好一次性成型。

2.6 其它故障

变桨通信故障较为复杂，除了上述相关故障外，影响变桨通讯的原因：（1）外部通讯干扰，主要是雷达基站等强电磁波影响。（2）光纤耦合器工作异常。（3）变桨BX3100和通信转换器等模块供电故障。（4）变桨内部控制模块末端子9010缺陷等。

3 变桨通信系统维护

变桨系统长期运转，除了定期维护还应制定日常维护计划，主要是对变桨系统的各项模块进行有效监视。其中变桨滑环可以根据年度计划进行维护，PLC等电气元器件可以根据日常巡检配套进行，同时在日常维护中应充分考虑备件储备，因为滑环等部件损坏时风机基本无法运转，极大影响风机运行可靠性。

3.1 通讯线及Harting接头维护

定期测试变桨通讯线，对滑环到变桨内部的备用通讯线要求完好，如有损坏，应及时更换，因为通讯线穿过主轴，故障时更换通讯线极耗时间，而且此类故障往往是大风时概率大幅增加。Harting接头需要定期查看，尤其是变桨轴柜内部，应防止轮毂长期旋转导致线头松动脱落。

3.2 滑环维护

滑环定期维护和机组定期维护时间应该同步，一般一年进行一次。但频繁清洗滑环可能会对滑环使用寿命有一定影响，因此在定期维护时对滑环导电环道进行清洗严禁使用油基清洗剂以防对环道和电刷腐蚀，清洗时禁止拆卸电路板，清洗完使用热风枪烘干，并对每个导电环道滴入一滴润滑油[6]。

3.3 通讯模块检查

变桨通讯模块日常维护，主要查看模块连接是否牢固，模块上方DP接头是否松动，变桨PLC等系统有无报警信号等。

4 结语

通过对变桨通信常见故障归类总结，可以有效提高风电场人员故障排除效率。日常维护工作可以提前消除隐患，让设备使用寿命周期更长，其中鄞州風电场在2016年大面积报变桨通信故障后对滑环进行一次全面清洗，以及对变桨系统通讯线全面排查更换，之后同类故障大大降低，有效提高风电场风机运行可靠性。