風電機組重大事故案例分析

風電機組重大事故案例分析據(jù)英國風能機構(gòu)的不完全統(tǒng)計，截至2009年12月31日，全球共發(fā)生風電機組重大事故715起，其中火災事故138起，占總數(shù)的19.3%，位列第二位。2010年歐美等國新增火災事故7起，其中2起火災對作業(yè)工人造成了嚴重燒傷。因此，火災已成為繼雷擊后第二大毀滅性機組災害。實際上，風電機組重大事故在國內(nèi)外都有發(fā)生。有的重大事故可以預防，甚至完全可以避免。然而，隨著我國風電機組的不斷增多，部分突發(fā)事故是不可避免的，例如部分因雷擊而造成的火災事故，還有在運行過程中，部分因機組部件損壞造成劇烈摩擦起火而引發(fā)的火災事故等。在降低和避免重大事故發(fā)生的過程中，我們不僅要講科學，還要綜合考慮成本因素，不能采取過度的預防措施。把概率極低的事件當成必然事件加以考慮，將不利于機組度電成本的降低。僅就完全可以預防、避免的機組燒毀與倒塌事故而言，它不僅與機組本身的質(zhì)量、性能、運行和維護有關(guān)，而且，還與箱變等附屬設(shè)施有著密切的關(guān)系。本文主要介紹由箱變問題引發(fā)的機組故障與事故，通過對某風電場發(fā)生的一起機組燒毀事故進行分析，找出行之有效的預防措施，避免類似事故的再次發(fā)生。事故簡介某風電場1.5MW雙饋空冷風電機組，變頻器布置在塔基，并網(wǎng)開關(guān)(斷路器)是ABB生產(chǎn)的。在機組起火大約一個小時后發(fā)現(xiàn)，然后對整條線路采取了斷電措施。當人員到達現(xiàn)場時，整個機組如同一個巨大的“火炬”，最后，機艙及輪轂罩殼完全燒毀，三支葉片也不同程度地過火。從主控信息和事故現(xiàn)場兩方面證實，最后一次停機是正常的低風切出，并且，收槳正常，也不存在超速問題。從事故現(xiàn)場來看，位于塔基變頻器的并網(wǎng)開關(guān)仍處于合閘狀態(tài)，變頻器功率柜嚴重燒毀;與事故機組配套的箱變高壓側(cè)斷路器跳閘，且有兩相高壓側(cè)保險熔斷。事故分析此次機組燒毀事故的原因有：變頻器并網(wǎng)開關(guān)在停機時不能脫網(wǎng)是誘因，而箱變低壓側(cè)斷路器不具有自動跳閘功能是造成事故擴大的關(guān)鍵。變頻器并網(wǎng)開關(guān)在脫網(wǎng)時不能分閘屬于偶發(fā)事件，本是一般的機組故障，且發(fā)生概率較低;而對該風電場來說，箱變的低壓側(cè)斷路器不具備自動跳閘功能，違背了關(guān)鍵設(shè)備的電路分級保護原則。也就是說，在該風電場機組配套時就已經(jīng)埋下了事故隱患。從安全方面來說，與此類風電機組相配的箱變，應具有多重自動跳閘功能，以保護機組與人身安全;從現(xiàn)場實踐來看，只要箱變低壓側(cè)斷路器具有自動分閘的功能跳閘，就能避免事故擴大，從而避免機組燒毀事故的發(fā)生;從系統(tǒng)設(shè)計來看，此類機組存在變頻器并網(wǎng)開關(guān)無法正常脫開的可能，需要箱變低壓側(cè)斷路器具有自動分閘功能，以及時切斷電網(wǎng)給機組的供電，避免惡性事故的發(fā)生。一、監(jiān)控數(shù)據(jù)分析在事故之前，機組多次報低風切出，并在8小時內(nèi)幾次報變頻器故障，并均是變頻器自動復位，可能由并網(wǎng)開關(guān)機械故障引起。在事故前的一次“低風切出”后，復位啟機，機組的有功功率一直維持正值，說明此時機組運行正常，處于發(fā)電狀態(tài);其后機組因風速降低有功功率逐漸下降，于12:37:04觸發(fā)“低風切出”停機，因變頻器并網(wǎng)開關(guān)不能斷開，隨后觸發(fā)“變頻器錯誤”等一系列故障。該機組在觸發(fā)“變頻器錯誤”等故障后，葉片順利收槳到92°，即葉片處于安全位置，主控信息與現(xiàn)場的實際情況相符。首先，說明機組變槳系統(tǒng)正常，事故之前沒有出現(xiàn)高級別剎車和電池檢測，輪轂變槳電機及其供電接觸器是交流供電收槳，且電流不大，機組起火的原因不在輪轂。其次，說明機組的控制系統(tǒng)所報信息真實可靠;另外，在低風切出時，機組高速軸轉(zhuǎn)速不高，主控沒有主軸剎車器的動作信息。所以，排除由于主軸剎車器動作，或其他部位由于轉(zhuǎn)速過高導致摩擦起火的可能。按照所報故障發(fā)生的時間順序：變頻器電網(wǎng)故障、暫態(tài)電網(wǎng)錯誤、相電壓過低等。由于變頻器并網(wǎng)開關(guān)不能脫網(wǎng)，發(fā)電機定子線圈與電網(wǎng)直接相連，消耗電網(wǎng)功率不斷轉(zhuǎn)化為熱能。從后面觸發(fā)的故障可以看出，發(fā)動機定子溫度在短時間內(nèi)急劇上升，耗電電流不斷增大。12:40:04，機組主控報“電網(wǎng)掉電”，電網(wǎng)至少有一相斷開;報“低風切出”的3分零2秒后，主控報“交流電源故障”，即：12:40:06，說明機組完全斷電。二、集電線路及箱變高壓側(cè)斷路器跳閘分析據(jù)現(xiàn)場人員反映，機組發(fā)生著火事故后，故障機組的箱變高壓側(cè)有兩相保險熔斷導致高壓側(cè)跳閘。據(jù)了解，不少箱變的高壓側(cè)開關(guān)有保險熔斷跳閘功能，而低壓側(cè)斷路器沒有自動跳閘裝置。因此，機組故障時，低壓側(cè)斷路器不可能斷開。從風電機組系統(tǒng)設(shè)計來看，箱變和風電機組共同組成雙重保護，按風電機組發(fā)電負荷從小到大的電流保護順序是：變頻器、箱變低壓側(cè)、箱變高壓側(cè)。在變頻器斷路器無法正常脫開的情況下，如果箱變低壓側(cè)不能及時跳閘，很容易造成事故擴大。另外，機組主控報“電網(wǎng)掉電”和“交流電源”故障，與箱變高壓側(cè)兩個保險斷開的時間相對應，在后一個保險熔斷時，箱變的高壓側(cè)開關(guān)跳閘，這與現(xiàn)場查看的箱變高壓側(cè)斷路器跳閘及箱變高壓側(cè)兩相保險熔斷的事實相符。從主控看這兩個故障信息的時間差為2s(主控的最小計時單位為s)。再從升壓站的線路錄波信息來看，事故機組所在線路發(fā)生了“三相電流不平衡”故障，時間為1s341ms，這再次與機組監(jiān)控數(shù)據(jù)相吻合。12:40:04，機組主控報“電網(wǎng)掉電”，箱變高壓側(cè)第一個保險熔斷;12:40:06，主控報“交流電源故障”，箱變高壓側(cè)的另外一個相保險熔斷，同時高壓側(cè)跳閘，機組與電網(wǎng)分離。在事故發(fā)生時，事故機組同一線路的8臺機組均處于低風速發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電功率不高，而事故機組耗電功率較大，單相耗電電流可能在機組的滿負荷以上，當事故機組高壓側(cè)保險有一相熔斷后，另外兩相仍處于耗電狀態(tài)，因此，集電線路出現(xiàn)了三相電流不平衡故障。當事故機組的箱變高壓側(cè)開關(guān)跳閘后，隨著事故機組的切除線路恢復正常。該風電場箱變高壓側(cè)電壓為35kV，使用保險的容量為50A，由此核定出的箱變高壓側(cè)的容量值在3000kVA以上。從保險的熔斷狀況來看，在事故發(fā)生時，機組發(fā)熱耗電功率很高。耗電產(chǎn)生的熱量又主要集中在發(fā)電機定子上，發(fā)電機外殼的溫升足以達到其附近可燃物，如：潤滑系統(tǒng)、排氣罩等的著火點，從而造成機組起火。三、變頻器并網(wǎng)開關(guān)不能分閘分析變頻器并網(wǎng)開關(guān)有失壓脫扣功能，在失去外界供電時，并網(wǎng)開關(guān)就會斷開，然而，當箱變的高壓側(cè)跳閘后，并網(wǎng)開關(guān)還一直處于閉合狀態(tài)，即：在并網(wǎng)開關(guān)完全失電的狀態(tài)下，也不能使其分閘，變頻器并網(wǎng)開關(guān)屬機械卡死的可能性極大。后來對事故機組的變頻器并網(wǎng)開關(guān)進一步檢查也證實不能分閘是由機械卡死所致。究其原因，該風電場的所有機組是同一機型，與其他機組相比，事故機組地處凹地，處于兩山之間，此機位的風速和風向變化極為頻繁，通過主控記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在事故發(fā)生前，因風速在切入風速附近頻繁且大幅度地波動，導致機組并網(wǎng)頻繁。平均每4-8分鐘出現(xiàn)一次“低風切出”的觸發(fā)與復位：當風大的時候，機組還在啟機階段，而并網(wǎng)之后，風速下降，風能低于機組維持發(fā)正電時所需要的能量，機組又迅速“低風切出”，這不僅對機組發(fā)電不利，而且，與同一風電場其他機組相比，在同樣時間內(nèi)變頻器的并網(wǎng)次數(shù)增加，合閘后不能斷開的概率大大增加，致使發(fā)生分閘脫扣線圈發(fā)熱以及脫扣機械機構(gòu)出現(xiàn)卡塞的概率增加，最終導致變頻器并網(wǎng)開關(guān)無法正常分閘。在事故發(fā)生時，事故機組并網(wǎng)開關(guān)的動作次數(shù)為18645次，而同期投入運行的其他機組一般在6000-7000左右，也說明了該機組所在機位風況變化的頻繁程度。按照事故機組變頻器廠家對所用并網(wǎng)開關(guān)(ABB)的使用說明，當并網(wǎng)開關(guān)的動作次數(shù)達到15000次后要根據(jù)具體情況判定是否可以繼續(xù)使用，而且，在工作到20000次后，應當作報廢處理。在事故發(fā)生時，并網(wǎng)開關(guān)工作的次數(shù)已達18645次。另據(jù)現(xiàn)場了解，該機組在事故前的一次機組維護中，沒有對并網(wǎng)開關(guān)進行維護。因此，并網(wǎng)開關(guān)維護和檢修不當，是造成此次并網(wǎng)開關(guān)不能分閘的重要原因，也是本次事故的原因之一。四、事故還原結(jié)合機組的相關(guān)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況還原事故發(fā)生過程如下：機組因風速降低，12:37:04報“低風切出”脫網(wǎng)，此時變頻器的并網(wǎng)開關(guān)不能脫網(wǎng)，機組正常收槳，在主控的高速軸轉(zhuǎn)速信息上了解到，盡管發(fā)電機定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使葉輪有增速的趨勢，但是，順槳角度不斷增大，機組高速軸轉(zhuǎn)速依然不斷降低，隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率不斷增大，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感生電動勢將IGBT、低電壓穿越的功率元件等擊穿短路，巨大的熱量還使變頻器轉(zhuǎn)子接線的絕緣皮燒毀、融化，變頻器IGBT燒毀，直至變頻器處的轉(zhuǎn)子接線開路(事故后，在檢查變頻器時進一步得到證實)。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子接線開路以后，發(fā)電機定子的阻抗更小，定子流過電流更大，定子的發(fā)熱狀況進一步加劇，定子溫度迅速上升。發(fā)電機定子繞組，先是觸發(fā)“定子繞組溫度偏高”溫度為120℃，在5s之后主控報“定子繞組溫度過高”。按照參數(shù)設(shè)置，此時的溫度應大于140℃;定子溫度繼續(xù)升高，在20s后，報“溫度傳感器故障五、因箱變引發(fā)的故障與多起事故風電機組要正常運行，減少故障，避免重大事故的發(fā)生，箱變質(zhì)量、箱變保護功能的完備狀況、箱變與風電機組配套等有著重要的關(guān)系。對于因電起火的火災事故，首先要切斷供電電源，避免事故的擴大和機組燒毀事故的發(fā)生。風電機組火災事故應以預防為主，全面考慮，預防和避免惡性事故。如果變頻器布置在機艙上面，由于機組與箱變之間的線路一直到機艙，如果箱變的保護功能不完善，當電纜出現(xiàn)破損時，更容易造成機組燒毀事故，箱變對機組的保護作用顯得更為重要。就此次風電機組燒毀事故來看，由于箱變的低壓側(cè)斷路器不具有自動跳閘功能，當變頻器不能正常脫網(wǎng)時，箱變就不可能及時斷電，從而致使發(fā)電機持續(xù)發(fā)熱，達到機艙可燃物的著火點而引發(fā)機組燒毀事故。從多個風電場的實踐來看，如果箱變低壓側(cè)斷路器具有自動跳閘功能，一般只會使變頻器的Crowbar(低電壓穿越)燒毀，功率模塊損毀，其損毀的嚴重程度與箱變低壓側(cè)斷路器跳閘及時程度有很大的關(guān)系;當箱變的低壓側(cè)斷路器跳閘不及時，偶爾也會導致發(fā)電機的損壞。再如：某風電場的1.5MW風電機組，2010年2月26日，風電場值班人員發(fā)現(xiàn)59號機組的輪轂、機艙頂部冒黑煙，16時9分到達現(xiàn)場，2月27日凌晨5時20分，火焰熄滅，機組全部燒毀。事故的起因在電控柜下部母排處，由于日常工作和維護時遺留下的短接線或其他導體，引起690V母排發(fā)生相間短路。如果機艙電纜線出現(xiàn)短路時，箱變及時跳閘也許能避免燒毀事故的發(fā)生。該機組的變頻器布置在機艙上，當機艙上供電線路出現(xiàn)短路、打火現(xiàn)象，而箱變的低壓側(cè)斷路器又不能及時跳閘時，必然會造成風電機組燒毀事故的發(fā)生。2010年2月26日，某風電場在機組調(diào)試送電時，由于箱變問題，低壓側(cè)斷路器不能合閘，加之操作人員操作失誤，致使送電人員遭到電擊、截肢慘劇的發(fā)生;2008年，某風電場在機組調(diào)試之前，安裝人員在塔筒內(nèi)緊固變頻器與箱變之間的連接螺釘時，安裝人員被電擊倒，此時，雖然箱變的高壓側(cè)已經(jīng)送電，但是，箱變的低壓側(cè)斷路器并沒有合閘，塔筒內(nèi)不應有電，在此事故發(fā)生之后，本應檢查箱變存在的問題，及時排除箱變故障。然而，由于沒有造成人員傷亡，此事并沒有引起業(yè)主人員的重視，當機組調(diào)試時發(fā)現(xiàn)該機組變頻器并網(wǎng)柜已經(jīng)全部燒毀。像這樣，因箱變故障而造成并網(wǎng)柜燒毀的事例曾在不少風電場發(fā)生過，所幸這些變頻器都布置在塔基，沒有引起事故的擴大。如果箱變布置在機艙，還可能造成機組的燒毀。因箱變問題而造成風電機組故障的事例，在風電場時有發(fā)生。對于這種情況，機組一般都能并網(wǎng)，但并網(wǎng)后會報電網(wǎng)故障停機，缺乏經(jīng)驗的維修人員很難判斷。因故障產(chǎn)生的部位在箱變，而維修人員普遍只是考慮風電機組本身，因此，判斷故障的時間經(jīng)常長達幾個月，大大影響了機組的利用率和發(fā)電量?？傊_保箱變質(zhì)量，充分發(fā)揮箱變對風電機組的保護作用，是減少機組故障與事故、保證人身安全中重要的一環(huán)。經(jīng)驗與總結(jié)一、機組參數(shù)按機位風況進行優(yōu)化同一風電場，不同機位的風電機組因其風況條件不完全一致。對于跟其他機組的風況條件差別較大的機組，其參數(shù)的設(shè)置可以根據(jù)具體機位進行適當調(diào)整，即在不影響機組發(fā)電量的前提下，根據(jù)機位的風況條件對機組的切入、切出相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，以減少機組并網(wǎng)開關(guān)的動作次數(shù)。在不穩(wěn)定的低風狀況下頻繁啟停，不僅會增加機組并網(wǎng)開關(guān)動作次數(shù)，同時，還會提高故障率。二、注意變頻器并網(wǎng)開關(guān)的維護為了避免出現(xiàn)并網(wǎng)開關(guān)的機械卡死故障，在并網(wǎng)動作次數(shù)超過一定值時，尤其對并網(wǎng)開關(guān)的機械部位進行檢查和維護，以減少并網(wǎng)開關(guān)的故障幾率。在ABB并網(wǎng)開關(guān)維護時，需重點檢查儲能連桿兩側(cè)鉚接、軸承銷是否松動，銷子是否變形，結(jié)合半軸、分閘半軸、鉤塊以及其他傳動部件，儲能電機、齒輪、螺釘有沒有過度磨損、過熱、破損、松動的現(xiàn)象;給運動部件按要求添加潤滑油等。三、確保箱變低壓側(cè)斷路器的自動保護功能完善風電場業(yè)主在安裝機組時，按照國家相關(guān)設(shè)備技術(shù)標準，與生產(chǎn)廠家提供的箱變技術(shù)規(guī)范選配合適的箱式變壓器，保證箱變的低壓側(cè)斷路器具備相關(guān)的保護功能。另外，為了保證箱變在必要的時候及時分閘，應定期對箱變進行檢查和維護，包活箱變低壓側(cè)斷路器的自動分閘功能進行試驗與參數(shù)設(shè)置。此項措施不僅有利保護風電機組與箱變本身，而且，也有利于保護現(xiàn)場人員的人身安全。四、如何正確對待風電機組燒毀事故風電機組燒毀事故，雖然損失很大，但不能逃避責任，敷衍了事，采取回避態(tài)度。事故發(fā)生后，應追尋事故發(fā)生的根本原因，有的放矢，才會收到良好的效果。從絕大部分風電機組燒毀事故來看，大都是由于雷擊、電器、線路起火，或機組在運行過程中，由旋轉(zhuǎn)部件損壞而造成劇烈摩擦產(chǎn)生的火災。從已發(fā)生的眾多機組燒毀事故分析，如果采取每臺機組上都添加一套功能完備的自動消防系統(tǒng)，對絕大部分的燒毀事故而言是無益的，而且在機組維修和維護時，還可能由于消防系統(tǒng)的誤操作而引發(fā)人身傷害，即便是這些消防系統(tǒng)能對個別火災