中國儲能網(wǎng)訊：隨著我國風電機組運行總量的增加，葉片斷裂、脫落，機組燒毀、倒塌等重大事故時有發(fā)生。近年來，隨著國內出質保機組數(shù)量的不斷增加，機組燒毀、倒塌等重大事故更有增多的趨勢。這不僅要從機組及部件質量上找原因，更應從現(xiàn)場施工、機組運維、備件采購、風電場管理和現(xiàn)場機組改造等多方面查找原因。
對風電機組重大事故預防不足，或過度預防，均不利于度電成本的降低及行業(yè)的發(fā)展。面對事故，需深入分析和研究。從過去事故中總結經(jīng)驗教訓，采取合理、適度的防范措施，減少和避免重大事故的發(fā)生。相反，事故分析和結論的錯誤，無效預防措施的實施，勢必造成重大事故的再次發(fā)生和社會資源的巨大浪費。
下面就我國業(yè)內的風電機組重大事故分析的現(xiàn)狀，以及預防措施存在的一些問題進行闡述，并對機組燒毀、倒塌事故的預防措施進行分析和探討。
1、風電機組事故分析和預防的現(xiàn)狀
一、事故案例分析的疑問
對于風電機組重大事故，各級部門通常高度重視。調用單位及相關部門的技術人員進行事故分析。例如，某風電場在機組燒毀事故發(fā)生之后，事故單位及相關機構高度重視，對事故分析工作進行了部署和安排，事故分析團隊由國內多家電力企業(yè)的風電技術人員和相關部門的消防人員組成。
事故機組的變頻器布置于塔基，事故前在現(xiàn)場進行了變頻器定子接觸器改造，增加了定子接觸器柜。這樣，變頻器的布局從左到右依次為：定子接觸器柜、并網(wǎng)柜、中間控制柜及功率柜。在燒毀事故中，定子接觸器柜、并網(wǎng)柜和中間控制柜燒毀嚴重，離定子接觸器柜最遠的變頻器功率柜，相對保存完好；塔筒內部的電纜、機艙及輪轂等全部燒毀。在現(xiàn)場勘查時，在進機艙的U形電纜處，分析人員發(fā)現(xiàn)了發(fā)電機定子電纜對地短路打火的證據(jù)，后經(jīng)權威機構檢測，認定電纜阻燃值不達標，機組燒毀原因指向定子電纜，即在U形電纜處的發(fā)電機定子電纜拉弧、打火是引發(fā)本次事故的主要原因。于是，多個風電場的同類型機組，按照分析意見進行了整改，將該品牌電纜全部予以更換。
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既然有發(fā)電機定子電纜對地拉弧打火的證據(jù)，因此，拉弧的時間長短、功率大小，打火的嚴重程度等也應是分析的重點。眾所周知，除少數(shù)有機物（如：四氯化碳、二氟二溴甲烷等）不能燃燒外，絕大多數(shù)的有機物都是可燃物。如有幾十秒甚至有幾分鐘以上，超過幾百個千瓦的對地拉弧打火，因電弧的溫度高、能量大，即使阻燃值再好的電纜膠皮，也會因較長時間的高溫而分解、燃燒，機組燒毀可能就難以避免。從發(fā)生過的風電機組事故可知，長時間的高溫烘烤、燃燒，可把在一般條件下不可能燃燒的玻璃鋼聯(lián)軸器及罩殼內的高分子鏈有機物變成白灰。
另一方面，在通常情況下，即使事故機組所用定子電纜的阻燃值不能達到“國標”要求，對于“瞬間”對地短路就能實現(xiàn)停機保護的合格變頻器機組來說，則難以造成定子電纜的燃燒和持續(xù)燃燒。據(jù)筆者的現(xiàn)場經(jīng)驗，導致此次機組燒毀事故關鍵因素應與定子電纜質量無關。
如果事故分析人員認為此次事故與電纜質量有著必然的聯(lián)系，在充分保證人身安全和機組安全的前提下，如能用沒有安全隱患的變頻器與事故機組同樣質量的定子電纜（品牌和使用年限相同等）配合，在現(xiàn)場風電機組上做實驗，當運行機組的定子電纜破皮，并對地打火、短路以后，觀察是否會造成機組的“瞬間”停機或造成電纜的燃燒和持續(xù)燃燒，據(jù)此來判斷是否會造成機組燒毀事故的發(fā)生，而不是僅僅依據(jù)做電纜阻燃值實驗，檢查電纜的阻燃值是否達標的手段下事故結論。最大限度地模擬事故時的諸多條件是還原事故本來面目的關鍵，也只有這樣，其分析結論才更具說服力。因為，事故的分析結論，不僅會涉及責任認定和眾多風電場的大批電纜下架問題，更涉及到后續(xù)機組的安全隱患的排查以及此類機組燒毀事故的預防等問題，因此，我們的事故分析結論應經(jīng)得起多方論證和現(xiàn)場實踐的檢驗。這對有目的、有重點地預防機組火災事故，避免在一次機組重大事故發(fā)生之后，采取無效、過度的預防措施、造成資源的浪費有著重要意義。
再者，受各種外界因素（尖銳物的撞擊、環(huán)境溫度、電纜過電流發(fā)熱以及使用年限等）的影響，在機組運行過程中，電纜可能會產(chǎn)生破皮，電纜的阻燃值和機械性能也可能會發(fā)生變化。為保證機組安全，在設計機組保護時應給予充分的考慮，如把此次事故簡單歸結為電纜質量問題，筆者認為有失偏頗。
據(jù)分析人員結論推斷，當發(fā)電機定子電纜著火、燃燒之后，火勢不僅向上燃燒，燒毀了機艙等，同時還從塔筒上部的U形電纜處向下，順著電纜燃燒到了變頻器，并造成了變頻器的嚴重燒毀。
在通常情況下，塔筒門處于關閉狀態(tài)，在塔筒內部，由于缺乏充足的氧氣，燃燒速度很慢，甚至難以進行。曾經(jīng)發(fā)生過這樣的事故，因吊裝預留的U形電纜長度遠超過規(guī)定，機組運行過程中劇烈搖晃，使得給機艙、輪轂提供400V交流動力電纜的絕緣膠皮，在塔筒內被尖銳物件刮傷、破皮，并引發(fā)了電纜燃燒。電纜對地拉弧、燃燒之后，塔基變頻器處的過流保護熔斷器迅速熔斷，在無人干預下明火自然熄滅，最后僅造成了電纜的局部燒毀。在塔筒內，如不是長時間地拉弧、打火，電纜燃燒將很難進行，要自上往下燃燒更加困難。
按照風電機組保護原理：在機組的箱變負載線路出現(xiàn)過載或嚴重對地短路時，通過箱變低壓側斷路器迅速跳閘斷電，保護塔筒內的相關動力電纜及變頻器等；當發(fā)電機及定、轉子線路發(fā)生故障時，變頻器及時停機、脫網(wǎng)，以保障自身安全，保護發(fā)電機及定、轉子電纜等。
在機組運行中，即便U形電纜處的定、轉子電纜破皮短路，也應避免機組燒毀事件發(fā)生。如果變頻器正常保護，也很大程度能夠避免。因此，如果發(fā)電機定子電纜出現(xiàn)了打火，并導致了電纜的大面積燃燒和機組燒毀，這與變頻器不能及時保護、停機脫網(wǎng)有著直接的關系。由此推斷，在事發(fā)前變頻器存在安全隱患。
在正常情況下，當發(fā)電機的定、轉子電纜對地短路時，變頻器在毫秒級的時間內就能發(fā)出停機指令，與發(fā)電機定子相連的斷路器，得到指令后一般在60毫秒左右就能斷開、脫網(wǎng)，這就是說，如果定子電纜出現(xiàn)破皮對地短路，變頻器能實現(xiàn)“瞬間”脫網(wǎng)，保障電纜及機組安全。正因為這樣，筆者在進行原裝ALSTOM變頻器機組調試時，就有過這樣的經(jīng)歷，該機組采用的是帶屏蔽層的轉子電纜，在變頻器柜內接線處，因轉子電纜屏蔽層中的一根細銅絲與轉子線形成對地短路，曾多次造成了變頻器勵磁停止，當時是在夜間進行機組調試，因打火瞬間還有一絲亮光，故障點才得以順利找到；在ALSTOM變頻器的故障處理中，也曾因一根定子電纜在機艙的馬鞍處有細微的破損，偶然會出現(xiàn)對地短路的問題，從而造成了機組不能正常并網(wǎng)，因短路地點的隱蔽和間歇性，且打火部位相當不明顯，因此，經(jīng)過了長時間、多次故障排查，才找到了故障點。
另外，當機組處于并網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)電機定子電纜嚴重對地短路時，如變頻器因故不能脫網(wǎng)，還可能因巨大的單相對地短路電流促成箱變的低壓側斷路器為保障機組安全迅速跳閘。這就是說，如因發(fā)電機定子電纜嚴重對地拉弧打火造成了機組燒毀，那么，在事發(fā)前，箱變也存在安全隱患。
因此，筆者認為事故分析團隊的分析結論存在一些疑問，如果機組的燒毀原因不明，自然不能采取有效的措施消除同類機組的安全隱患，在適當?shù)臈l件下，類似事故可能還會再次發(fā)生。
二、 事故分析過于簡單化
在進行風電機組事故分析時，僅從某一方面考慮問題，造成了風電事故分析的簡單化。我們通?？吹降氖鹿史治鼋Y論是：運行機組的葉片斷裂是葉片質量問題；齒輪箱損壞是齒輪箱質量問題；機組燒毀、倒塌是機組的生產(chǎn)質量有問題。
葉片的載荷是由機組所承受的各種風況條件以及機組控制等多種因素決定的。也就是說，葉片設計與風電場的平均風速、極限風速和湍流強度等風況條件有著密切的關系。湍流強度增加，不僅會使機組重要部件的極限載荷增加，而且湍流強度每增加0.02，葉根的等效疲勞載荷增加10%左右。在葉片斷裂事故的分析中，如不排除微觀選址不當、葉片與整機載荷匹配性等因素，就難以認定事故原因為葉片質量。如果運行機組的葉片斷裂被錯誤判定為由葉片質量引發(fā)，那么，在同一機組或相近機位還會出現(xiàn)葉片斷裂或機組部件的頻繁損壞等問題，勢必會造成更大的損失。
就主齒輪箱損壞而言，除了與自身質量有關外，還與微觀選址、維護、潤滑、控制（運行功率控制、功率管理控制）、啟機和停機（例如：當機組長期停電時，要確保主齒輪箱高速軸的主軸剎車器處于松開狀態(tài)，以保證葉輪能夠自由旋轉，在停機期間，主齒輪箱也能得到適當?shù)貪櫥?、不受損傷等）等密切相關。同理，變槳齒輪箱、變槳電機、偏航齒輪箱、偏航電機損壞等，不僅與其生產(chǎn)質量有關，還與負載狀況、控制方式、控制策略及微觀選址等有著密切的關系。
部分機組的燒毀倒塌事故，不排除與機組及部件質量有關。但也與維修、維護人員的技術水平和責任心，機組改造、備件采購，風電場管理體制等因素有關。因此，事故分析時應放下?lián)淖肪控熑蔚呢摀?，客觀、科學、全面地開展分析工作，以找到真正的事故原因，避免同類事故再次發(fā)生。
在我國風電是新興行業(yè)，有的從業(yè)人員風電工作能力不足，不能從機組所處的環(huán)境條件、整機概念和風電思路去思考問題，容易造成對事故結果的誤判。因此風電從業(yè)人員應對已發(fā)生事故進行認真分析和深入研究，在長期的工作實踐中不斷地學習和提高。
三、整改措施及事故預防的問題
重大事故發(fā)生之后，在通常情況下，都要根據(jù)事故結論，對同類型機組采取相應的整改措施。相關單位大都希望通過完善設計，一勞永逸地避免事故的再次發(fā)生。在沒有完全理解機組的整機性能和原設計意圖的情況下，有的則大膽地修改設計和控制邏輯；有的整改措施則是由沒有風電機組現(xiàn)場維修、維護經(jīng)驗的領導或缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗的研發(fā)人員、技術人員提出并實施，難免會偏離現(xiàn)場實際，給企業(yè)和社會帶來不必要的損失，一次事故往往會伴隨著一系列整改措施的出臺。
整改措施在大規(guī)模實施之前，如果不能經(jīng)過現(xiàn)場實踐的充分驗證，實施之后如發(fā)現(xiàn)問題再進行糾正將很困難，并且將造成運維成本的增加。
在我國風電發(fā)展初期，不少國內整機廠家引進了國外技術。有的則引進了世界一流整機廠商的成熟技術。如果因某次事故，依照錯誤的事故分析結論和對風電技術的片面理解就大規(guī)模地對同類型機組進行設計修改，結果往往會使機組性能變壞、部件壽命縮短、機組故障幾率增加等。
不少事故分析結論的責任指向為現(xiàn)場和現(xiàn)場人員，因此，對現(xiàn)場機組的整改項目和現(xiàn)場人員的要求條款也與日俱增?，F(xiàn)場的工作流程更加復雜而繁瑣；現(xiàn)場的管理措施和項目則不斷增多；登機人員的各種證件檢查、資格審查更加嚴格。
為完善制度、加強管理，采取多種手段避免重大事故的再次發(fā)生。有的風電企業(yè)大量借用或完全套用其他行業(yè)（如火電、核電等）的現(xiàn)成經(jīng)驗用于風電機組的改進。這樣，不少的措施、規(guī)定和制度條款，違背了風電機組設計、運行的基本原理和風電企業(yè)運作的基本規(guī)律，不能有效地解決問題。同時，也造成了風電企業(yè)及風電場管理體制趨于僵化，管理成本和機組運維成本的大幅度上升。
有的改進措施還可能帶來新的問題和安全隱患，例如，在某次安全事故發(fā)生之后，要求所有機組在主控柜和變頻器柜的柜門把手處及變頻柜安裝板的螺釘上加裝“五防鎖”，并配之以進輪轂及打開任何一個“五防鎖”都需分別開結工作票的規(guī)定。這樣，維修人員處理一個機組故障，時常需要多次開結工作票、多次登機，才能最后完成。這給正常的機組維修帶來了不便，更重要的是，在機組維修、維護時，不能根據(jù)現(xiàn)場的需要，在主控柜和變頻器柜內及時斷電，可能危及人身安全。不能依據(jù)現(xiàn)場機組的所處狀態(tài)，對相關部位進行必要的檢查，可能造成更多的機組故障和安全隱患。結果各種管理方法和措施應有盡有，而重大事故則有增無減。
為了減少和避免重大事故的發(fā)生，我們應從現(xiàn)場實踐出發(fā)，各種措施和整改方案在實施之前，應經(jīng)過現(xiàn)場充分的檢驗和檢證；尊重客觀規(guī)律，認真研究風電機組及風電企業(yè)的固有特性，按規(guī)律辦事，方能取得良好效果。
2、風電機組重大事故的預防
一、預防重大事故的總體思路
從燒毀倒塌事故的產(chǎn)生來看，因機組設計、生產(chǎn)、安裝、運維及現(xiàn)場改造中出現(xiàn)了安全隱患且沒有及時發(fā)現(xiàn)和排除，從而造成了重大事故的發(fā)生。
在預防重大事故的具體措施上：在機組設計時，控制邏輯、變槳及主控程序完善，應設置多重保護，機組的自檢項目設計完善；在機組部件采購時，保證變槳、主控、變頻器及箱變等重要機組部件的采購質量和保護措施的完善；在機組吊裝和未運行時，避免三支槳葉同時處于最大迎風面位置；在處理機組故障過程中，應有足夠的警惕和安全意識，及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。這對預防重大事故發(fā)生起著直接的作用；在機組定檢維護時，重點檢查三支葉片同時不能順槳、安全系統(tǒng)故障和常見安全隱患；在管理體制上，通過高質量的機組主控和后臺管理軟件，真正實現(xiàn)對機組的多級管理，確保能通過遠程發(fā)現(xiàn)機組的安全隱患；謹慎實施機組的現(xiàn)場改造，尤其對于采用成熟技術的現(xiàn)場機組；在事故發(fā)生后，應重視事故分析，在分析正確的基礎上實施有效的整改措施，對癥下藥，以取得好的預防效果。
二、 風電場機組管理的具體措施
在機組檢查、維修、維護時，應首先保障人身安全，認真排查和消除機組的安全隱患。在維修時，尤其在維修變頻器時，則應提前關閉變頻器上的相關電源開關或斷開箱變；保持機內整潔，避免產(chǎn)生安全隱患等；認真研究風電機組的安全運行原理，總結經(jīng)驗教訓，檢查重點部位，有目的、有意識地做好機組安全工作，以期達到事半功倍的效果。在預防重大事故時，應具體做好以下幾方面工作：
首先，充分發(fā)揮機組定期自動進行各項測試的作用，如，三支葉片同時不能順槳故障、機組安全系統(tǒng)和重要部位應通過機組自檢，檢查安全隱患。
其次，在機組維修和定檢維護時，注意重點部位和安全隱患的排查。如防止葉片脫落事故，應按規(guī)定檢查螺栓的扭矩值，防止塔筒、葉片以及變槳軸承螺栓的疲勞損壞。如出現(xiàn)了螺栓斷裂，還應檢查葉片和變槳軸承法蘭面是否存在不平整的問題。
第三，現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的片區(qū)和總部技術人員，定期通過遠程等方式對機組的安全隱患進行抽檢或詳細排查，直接參與風電場機組管理。并通過機組現(xiàn)場維護、維修出現(xiàn)的問題及部件損壞狀況等，提前發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患。
第四，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術，借鑒世界先進風電企業(yè)的管理制度和風電場運作經(jīng)驗，依據(jù)風電場的特點及固有規(guī)律實施現(xiàn)場管理。調動現(xiàn)場服務人員的工作積極性，把行之有效的防范措施落到實處。
三、采取積極主動的防火措施
風電機組大都為非易燃部件，從已發(fā)生過的風電機組火災事故來看，通常有以下幾種情況：雙饋機組停機不能脫網(wǎng)時，箱變的低壓側斷路器不能跳閘，造成發(fā)電機長時間、有大功率發(fā)熱；槳葉不能順槳，主軸剎車器不能良好制動，造成主軸剎車器長時間制動的摩擦起火；發(fā)電機軸承的保持架損壞、報死且軸承內部油脂過多，造成大量潤滑油長期在機艙燃燒；變頻器內部或箱變到變頻器的動力電纜嚴重對地拉弧、打火，且箱變的低壓側斷路器不能及時跳閘。這類事故因長時間的發(fā)熱、烘烤和燃燒，使有機物變性、分子鏈斷裂，導致阻燃物則變成了可燃和易燃物，從而引發(fā)了機組燒毀事故的發(fā)生。
因此，在預防機組燒毀事故時，需從風電機組的安全保護原理出發(fā)，有效地避免三支葉片同時不能順槳故障，確保相關的保護繼電器、斷路器在事發(fā)時能及時跳閘斷電，這才是預防機組燒毀事故的關鍵。
在預防機組火災事故中，雙饋機組的變頻器扮演著極其重要角色。當發(fā)電機定子、轉子的某個部位出現(xiàn)相間、對地打火或在發(fā)電機集電環(huán)處嚴重打火時，變頻器會報故障停機，并網(wǎng)開關（沒有定子接觸器的變頻器）或斷路器接到命令后瞬間斷開。故障部位則沒有更多的熱量使有機物變性或燃燒，短路拉弧的能量為
I×I×R×△t，其中，I為拉弧的等效短路電流；R為拉弧的等效電阻，△t為拉弧的時間，因此，斷路器的斷開時間越小越好。
對設計有發(fā)電機定子接觸器變頻器的雙饋機組，斷路器主要執(zhí)行帶負荷斷開任務，具有滅弧罩，不會因甩負荷斷開出現(xiàn)嚴重拉弧燒毀變頻器內的部件或引發(fā)火災，從而有效地保證了變頻器及機組安全。定子接觸器雖然具有一定的帶負荷切入和切除能力，但影響壽命。在正常情況下，機組報變頻器故障或因機組報故障執(zhí)行甩負荷停機時，斷路器首先斷開，其斷開時間短。在斷路器斷開之后，定子接觸器再后續(xù)斷開。如果定子接觸器改造或控制失當，定子接觸器首先執(zhí)行帶負荷斷開命令，因沒有滅弧裝置，且斷開時間一般在100～150ms，定子接觸器在變頻器柜內拉弧的時間增加。如長期執(zhí)行帶負荷切除，容易引起接觸器觸頭分斷能力下降，甚至粘連，導致不能正常分斷。
因此，不恰當?shù)亩ㄗ咏佑|器改造，則可能帶來更大的安全隱患。如果變頻器因設計、生產(chǎn)、改造質量不過關而存在安全隱患，不僅可能導致變頻器的故障幾率增加和燒毀，還可能引發(fā)機組燒毀事故的發(fā)生。
四、發(fā)揮變頻器和箱變的保護作用，檢查接地電纜，預防火災事故
依據(jù)我國近年來變頻器、機組燒毀事故分析，以及風電快速發(fā)展時期的現(xiàn)場施工質量現(xiàn)狀，為預防變頻器及機組燒毀事故的發(fā)生，首先，應檢查變頻器、箱變的安全保護系統(tǒng)能否正常工作以及各項功能是否齊全；其次，需檢查箱變的低壓側中性線，發(fā)電機定、轉子接地電纜和變頻器平臺的接地電纜是否良好接地。具體措施如下：
為了保證機組安全，斷路器設置應合理，充分發(fā)揮變頻器的保護作用，在維修時，保證變頻器的各種保護措施正常工作，斷路器的維護重點應該是分合閘運動機構、參數(shù)設置和觸點燒蝕情況等。檢查變頻器內的控制參數(shù)設置；檢查變頻器平臺的接地電纜與發(fā)電機定子、轉子接地線能在塔筒底部良好接地，有效保證電氣連通性。
確保箱變的低壓側斷路器質量和正確設置。定期維護低壓側斷路器，檢查其過流及對地、相間短路時的自動跳閘功能。如變頻器不能及時脫網(wǎng)，可通過箱變低壓側斷路器瞬間跳閘，保護變頻器及機組安全。檢查并確保箱變低壓側的中性線和機殼在箱變處良好接地，箱變接地電纜還應在塔筒底部的基礎環(huán)處與變頻器平臺的接地電纜，發(fā)電機定、轉子接地電纜在共同的接地排上良好接地。
以上良好接地的主要作用有：首先，箱變的動力電纜對地短路，可使箱變低壓側斷路器瞬間跳閘；其次，可以避免單相對地電壓的升高，以保護變頻器及機組的相關部件；第三，箱變的機殼與低壓側中性線的良好接地，有利于保障人身安全，防止觸電事故的發(fā)生。
綜上所述，確保變頻器、箱變質量和設置正確；保證發(fā)電機定、轉子接地電纜，變頻器平臺的接地電纜，以及箱變接地電纜在塔筒內的良好接地，對預防風電機組火災事故具有重要意義。
3、結語
在分析重大事故時，應從機組保護的基本原理分析問題，密切聯(lián)系同種機型的運行特性和維修經(jīng)驗，找出事故的根本原因，并以正確的結論去指導現(xiàn)場和排除安全隱患。在預防重大事故時，需根據(jù)風電機組的運行及分布特點，制定與機組運行特點相適應的管理辦法，建立與風電發(fā)展相適應的企業(yè)管理體制，減少和避免重大事故的發(fā)生。
