G5X 风力发电机组机械刹车逻辑技改研究

白淑伟 王成林

（1.江苏龙源风力发电有限公司，南通 226000；2.辽宁龙源新能源发展有限公司，沈阳 110027）

近年来，歌美飒G5X 机组先后发生多起机舱着火事故，主要原因是机组紧急停机类故障触发机械刹车制动，而长时间的机械刹车制动，导致刹车片与刹车盘相互摩擦产生大量热量，致使刹车片及刹车盘温度升高、熔融（分别如图1 和图2 所示），最终造成机舱着火。通过对比其他机型机械刹车逻辑后发现，G5X 机械刹车逻辑存在设计缺陷。现设计刹车逻辑技改方案来避免此类事故的发生。

目前，行业内外对风力发电机机组的刹车系统进行了广泛研究。袁莹莹研究了制动力矩和温度对制动系统的影响[1]；徐晓光研究了不同刹车材料对制动系统的影响[2]；毕厚煌研究了汽车刹车制动过程中复合材料的刹车片，在避免共振、提高制动性能方面均要优于半金属材料[3]；张国辉研究了主轴刹车系统紧急动作是引起机组火灾的主要原因，并根据原因给出了解决方案[4]；孙煊广建立了2.5 MW 机组高速轴制动器热机耦合模型，通过有限元模拟仿真研究了制动器在不同维度下表现出的温度场分布特性，得到与热应力场高度相似的变化特点[5]。

1 机械刹车热力耦合仿真

1.1 刹车装置介绍

歌美飒G5X 机组机械刹车结构如图3 所示。制动盘和齿轮箱一输出轴通过键连接，当风机出现急停故障时，风机主控系统发出控制命令，液压系统刹车回路动作，此时3 组制动衬片在液压系统作用下抱紧制动盘，实现刹车制动。在其中一片制动衬片上嵌有一个规格为135 ℃的热敏电阻，当此片制动衬片温度达到135 ℃时，刹车逻辑控制回路使得液压刹车油路停止工作，制动衬片在内部弹簧力的作用下和刹车盘脱离，实现松闸。

1.2 热力耦合有限元仿真

制动衬片和制动盘的材料参数，如表1 所示。根据刹车装置实际工况，建立简化的有限元模型如图4所示。经过进行热力耦合计算，得到如图5、图6 和图7 所示的仿真结果。其中：图5 数据显示高速轴刹车后在9.5 s 时温度传感器位置处温度为130 ℃；图6 数据显示在9.5 s 时刹车位置处温度为2 010 ℃；图7 数据显示在9.5 s 时刹车盘处温度为2 022 ℃。通过以上仿真结果分析可知：风机高速轴刹车动作约9.5 s 后刹车片本体会磨损殆尽；之后刹车片底板会和刹车盘直接接触摩擦并产生大量熔融物；高温熔融物极易点燃刹车盘下部电缆和玻璃纤维材质的机舱罩使风机发生火灾。风机现场实际故障数据和有限元模拟数据基本吻合，技改思路便以此时间数据为依据，在高速轴刹车约9.5 s 时通过改变液压油路工作逻辑使刹车片和刹车盘脱离，防止产生大量高温熔 融物。

表1 制动盘和制动衬片材料参数表

2 解决方案

2.1 风机刹车逻辑对比分析

如表2 所示，通过与其他机型机械刹车逻辑的对比可以看出，大部分机型的机械刹车制动都不会在机组发电机处于高转速的情况下立即执行。经过机械刹车部件温升热力耦合计算也可以看出，在发电机处于高转速下执行机械刹车制动会产生高温，存在很大的火灾安全隐患。

表2 主流风机刹车控制逻辑

2.2 技改设计思路

机组原有6 片刹车片，其中5 片为普通刹车片，1 片为内置热敏电阻刹车片（用于当刹车片温度高时触发安全链故障及411 刹车温度高故障），现增加1片热敏电阻刹车片替换原有普通刹车片。机组机械刹车制动后刹车片温度高，高温触发热敏电阻动作，通过控制外接电源打开刹车电磁阀，从而松开机械刹车，以防止机械刹车系统因过热产生熔融物引起机舱着火。

2.3 技改具体方案

2.3.1 技改后电气图纸

图8 为歌美飒刹车控制图纸，其中左侧虚线框内为原始设计图纸，右侧虚线框内为技改后图纸。

2.3.2 技改后需用电气备件

技改需用备件的相关描述，如表3 所示。

表3 技改需用备件描述

3 结语

风机紧急故障后进行机械刹车制动，刹车片温度高，技改回路打开高速刹车后，通过气动刹车将机组降低转速进入空转状态，可能存在一定的安全隐患。机组存在卡桨问题，在风机紧急故障后进行机械刹车制动，刹车片温度高，技改回路打开高速刹车，因存在卡桨问题机组会进入飞车状态，虽然可以防止火灾的发生，但无法阻止飞车的发生。后加装的刹车片热敏电阻损坏，技改控制回路将持续为电磁阀D211 供电。当机组需要机械制刹车动时，机械刹车无法制动。该情况会通过210 高速刹车没有释放故障体现出来（S208 处压强低于1 MPa）。此外，由于缺少更多的历史数据支持，后续将继续收集机械刹车制动后411故障触发时间。目前已将技改后的方案在风机上进行了试验，后续将持续试验以收集各项试验数据，进一步验证技改方案的安全性。