风电机组事故分析及预防的思考

文 | 王明军

（作者单位：东方电气风电有限公司）

随着我国风电机组运行总量的增加，叶片断裂、脱落，机组烧毁、倒塌等重大事故时有发生。近年来，随着国内出质保机组数量的不断增加，机组烧毁、倒塌等重大事故更有增多的趋势。这不仅要从机组及部件质量上找原因，更应从现场施工、机组运维、备件采购、风电场管理和现场机组改造等多方面查找原因。

对风电机组重大事故预防不足，或过度预防，均不利于度电成本的降低及行业的发展。面对事故，需深入分析和研究。从过去事故中总结经验教训，采取合理、适度的防范措施，减少和避免重大事故的发生。相反，事故分析结论的错误，无效预防措施的实施，势必造成重大事故的再次发生和社会资源的巨大浪费。

下面就我国业内的风电机组重大事故分析的现状，以及预防措施存在的一些问题进行阐述，并对机组烧毁、倒塌事故的预防措施进行分析和探讨。

风电机组事故分析和预防的现状

一、事故案例分析的疑问

对于风电机组重大事故，各级部门通常高度重视。调用单位及相关部门的技术人员进行事故分析。例如，某风电场在机组烧毁事故发生之后，事故单位及相关机构高度重视，对事故分析工作进行了部署和安排，事故分析团队由国内多家电力企业的风电技术人员和相关部门的消防人员组成。

事故机组的变频器布置于塔基，事故前在现场进行了变频器定子接触器改造，增加了定子接触器柜。这样，变频器布局从左到右依次为：定子接触器柜、并网柜、中间控制柜及功率柜。在烧毁事故中，定子接触器柜、并网柜和中间控制柜烧毁严重，离定子接触器柜最远的变频器功率柜，相对保存完好；塔筒内部的电缆、机舱及轮毂等全部烧毁。在现场勘查时，在进机舱的U形电缆处，分析人员发现了发电机定子电缆对地短路打火的证据，后经权威机构检测，认定电缆阻燃值不达标，机组烧毁原因指向定子电缆，即在U形电缆处的发电机定子电缆拉弧、打火是引发本次事故的主要原因。于是，多个风电场的同类型机组，按照分析意见进行了整改，将该品牌电缆全部予以更换。

既然有发电机定子电缆对地拉弧打火的证据，因此，拉弧的时间长短、功率大小，打火的严重程度等也应是分析的重点。众所周知，除少数有机物（四氯化碳、二氟二溴甲烷等）不能燃烧外，绝大多数的有机物都是可燃物。如有几十秒甚至有几分钟以上，超过几百千瓦的对地拉弧打火，因电弧的温度高、能量大，即使阻燃值再好的电缆胶皮，也会因较长时间的高温而分解、燃烧，机组烧毁可能就难以避免。从发生过的风电机组事故可知，长时间的高温烘烤、燃烧，可把在一般条件下不可能燃烧的玻璃钢联轴器及罩壳内的高分子链有机物变成白灰。

另一方面，在通常情况下，即使事故机组所用定子电缆的阻燃值不能达到“国标”要求，对于“瞬间”对地短路就能实现停机保护的合格变频器机组来说，则难以造成定子电缆的燃烧和持续燃烧。据笔者的现场经验，导致此次机组烧毁事故关键因素应与定子电缆质量无关。

如果事故分析人员认为此次事故与电缆质量有着必然的联系，在充分保证人身安全和机组安全的前提下，如能用没有安全隐患的变频器与事故机组同样质量的定子电缆（品牌和使用年限相同等）配合，在现场风电机组上做实验，当运行机组的定子电缆破皮，并对地打火、短路以后，观察是否会造成机组的“瞬间”停机或造成电缆的燃烧和持续燃烧，据此来判断是否会造成机组烧毁事故的发生，而不是仅仅依据做电缆阻燃值实验，检查电缆的阻燃值是否达标的手段下事故结论。最大限度地模拟事故时的诸多条件是还原事故本来面目的关键，也只有这样，其分析结论才更具说服力。因为，事故的分析结论，不仅会涉及责任认定和众多风电场的大批电缆下架问题，更涉及后续机组的安全隐患的排查以及此类机组烧毁事故的预防等问题，因此，我们的事故分析结论应经得起多方论证和现场实践的检验。这对有目的、有重点地预防机组火灾事故，避免在一次机组重大事故发生之后，采取无效、过度的预防措施造成资源的浪费有着重要意义。

再者，受各种外界因素（尖锐物的撞击、环境温度、电缆过电流发热以及使用年限等）的影响，在机组运行过程中，电缆可能会产生破皮，电缆的阻燃值和机械性能也可能会发生变化。为保证机组安全，在设计机组保护时应给予充分的考虑，如把此次事故简单归结为电缆质量问题，笔者认为有失偏颇。

据分析人员结论推断，当发电机定子电缆着火、燃烧之后，火势不仅向上燃烧，烧毁了机舱等，同时还从塔筒上部的U形电缆处向下，顺着电缆燃烧到了变频器，并造成了变频器的严重烧毁。

在通常情况下，塔筒门处于关闭状态，在塔筒内部，由于缺乏充足的氧气，燃烧速度很慢，甚至难以进行。曾经发生过这样的事故，因吊装预留的U形电缆长度远超过规定，机组运行过程中剧烈摇晃，使得给机舱、轮毂提供400V交流动力电缆的绝缘胶皮，在塔筒内被尖锐物件刮伤、破皮，并引发了电缆燃烧。电缆对地拉弧、燃烧之后，塔基变频器处的过流保护熔断器迅速熔断，在无人干预下明火自然熄灭，最后仅造成了电缆的局部烧毁。在塔筒内，如不是长时间地拉弧、打火，电缆燃烧将很难进行，要自上往下燃烧更加困难。

按照风电机组保护原理：在机组的箱变负载线路出现过载或严重对地短路时，通过箱变低压侧断路器迅速跳闸断电，保护塔筒内的相关动力电缆及变频器等；当发电机及定、转子线路发生故障时，变频器及时停机、脱网，以保障自身安全，保护发电机及定、转子电缆等。

在机组运行中，即便U形电缆处的定、转子电缆破皮短路，也应避免机组烧毁事件发生。如果变频器正常保护，也很大程度能够避免。因此，如果发电机定子电缆出现了打火，并导致电缆大面积燃烧和机组烧毁，这与变频器不能及时保护、停机脱网有着直接的关系。由此推断，在事发前变频器也存在安全隐患。

在正常情况下，当发电机的定、转子电缆对地短路时，变频器在毫秒级的时间内就能发出停机指令，与发电机定子相连的断路器，得到指令后一般在60毫秒左右就能断开、脱网，这就是说，如果定子电缆出现破皮对地短路，变频器能实现“瞬间”脱网，保障电缆及机组安全。正因为这样，笔者在进行原装ALSTOM变频器机组调试时，就有过这样的经历，该机组采用的是带屏蔽层的转子电缆，在变频器柜内接线处，因为转子电缆屏蔽层中的一根细铜丝与转子线形成对地短路，曾多次造成了变频器励磁停止，当时是在夜间进行机组调试，因打火瞬间还有一丝亮光，故障点才得以顺利找到；在ALSTOM变频器的故障处理中，也曾因一根定子电缆在机舱的马鞍处有细微的破损，偶然会出现对地短路的问题，从而造成了机组不能正常并网，因短路地点的隐蔽性和间歇性，且打火部位相当不明显，经过了长时间、多次故障排查，才找到了故障点。

再者，当机组处于并网状态，发电机定子电缆严重对地短路时，如变频器因故不能脱网，还可能因巨大的单相对地短路电流促成箱变的低压侧断路器为保障机组安全迅速跳闸。这就是说，如因发电机定子电缆严重对地拉弧打火造成了机组烧毁，那么，在事发前，箱变也存在安全隐患。

因此，笔者认为事故分析团队的分析结论存在一些疑问，如果机组的烧毁原因不明，自然不能采取有效的措施消除同类机组的安全隐患，在适当的条件下，类似事故可能还会再次发生。

二、 事故分析简单化

在进行风电机组事故分析时，仅从某一方面考虑问题，造成了风电事故分析的简单化。我们通常看到的事故分析结论是：运行机组的叶片断裂是叶片质量问题；齿轮箱损坏是齿轮箱质量问题；机组烧毁、倒塌是机组的生产质量有问题。

叶片的载荷是由机组所承受的各种风况条件以及机组控制等多种因素决定的。也就是说，叶片设计与风电场的平均风速、极限风速和湍流强度等风况条件有着密切的关系。湍流强度增加，不仅会使机组重要部件的极限载荷增加，而且湍流强度每增加0.02，叶根的等效疲劳载荷增加10%左右。在叶片断裂事故的分析中，如不排除微观选址不当、叶片与整机载荷匹配性等因素，就难以认定事故原因为叶片质量。如果运行机组的叶片断裂被错误判定为由叶片质量引发，那么，在同一机组或相近机位还会出现叶片断裂或机组部件的频繁损坏等问题，势必会造成更大的损失。

就主齿轮箱损坏而言，除了与自身质量有关外，还与微观选址、维护、润滑、控制（运行功率控制、功率管理控制）、启机和停机（例如：当机组长期停电时，要确保主齿轮箱高速轴的主轴刹车器处于松开状态，以保证叶轮能够自由旋转，在停机期间，主齿轮箱也能得到适当地润滑、不受损伤）等密切相关。同理，变桨齿轮箱、变桨电机、偏航齿轮箱、偏航电机损坏等，不仅与其生产质量有关，还与负载状况、控制方式、控制策略及微观选址等有着密切的关系。

部分机组的烧毁、倒塌事故，不排除与机组及部件质量有关。但也与维修、维护人员的技术水平和责任心，机组改造、备件采购，风电场管理体制等因素有关。因此，事故分析时应放下担心被追究责任的负担，客观、科学、全面地开展分析工作，以找到真正的事故原因，避免同类事故再次发生。

在我国风电是新兴行业，少数从业人员的风电工作能力不足，不能从机组所处环境条件、整机概念和风电思路去思考问题，容易造成对事故结果的误判。因此风电从业人员应对已发生事故进行认真分析和深入研究，在长期的工作实践中不断地学习和提高。

三、整改措施及事故预防的问题

重大事故发生之后，在通常情况下，都要根据事故结论，对同类型机组采取相应的整改措施。相关单位大都希望通过完善设计，一劳永逸地避免事故的再次发生。在没有完全理解机组的整机性能和原设计意图的情况下，有的则大胆地修改设计和控制逻辑；有的整改措施则是由没有风电机组现场维修、维护经验的领导或缺乏现场经验的研发人员、技术人员提出并实施，难免会偏离现场实际，给企业和社会带来不必要的损失，一次事故往往会伴随着一系列整改措施的出台。

整改措施在大规模实施之前，如果不能经过现场实践的充分验证，实施之后如发现问题再进行纠正将很困难，并且将造成运维成本的增加。

在我国风电发展初期，不少国内整机厂家引进了国外技术。有的则引进了世界一流整机厂商的成熟技术。如果因某次事故，依照错误的事故分析结论和对风电技术的片面理解就大规模地对同类型机组进行设计修改，结果往往会使机组性能变坏、部件寿命缩短、机组故障概率增加等。

不少事故分析结论的责任指向现场和现场人员，因此，对现场机组的整改项目和现场人员的要求条款也与日俱增。现场的工作流程更加复杂而繁琐；现场的管理措施和项目则不断增多；登机人员的各种证件检查、资格审查更加严格。

为完善制度、加强管理，采取多种手段避免重大事故的再次发生。有的风电企业大量借用或完全套用其他行业（如火电、核电等）的现成经验用于风电机组的改进。这样，不少的措施、规定和制度条款，违背了风电机组设计、运行的基本原理和风电企业运作的基本规律，不能有效地解决问题。同时，也造成了风电企业及风电场管理体制趋于僵化，管理成本和机组运维成本的大幅度上升。

有的改进措施还可能带来新的问题和安全隐患，例如，在某次安全事故发生之后，要求所有机组在主控柜和变频器柜的柜门把手处及变频柜安装板的螺钉上加装“五防锁”，并配之以进轮毂及打开任何一个“五防锁”都需分别开结工作票的规定。这样，维修人员处理一个机组故障，时常需要多次开结工作票、多次登机，才能最后完成。这给正常的机组维修带来了不便，更重要的是，在机组维修、维护时，不能根据现场的需要，在主控柜和变频器柜内及时断电，可能危及人身安全。不能依据现场机组的所处状态，对相关部位进行必要的检查，可能造成更多的机组故障和安全隐患。结果各种管理方法和措施应有尽有，而重大事故则有增无减。

为了减少和避免重大事故的发生，我们应从现场实践出发，各种措施和整改方案在实施之前，应经过现场充分的检验和验证；尊重客观规律，认真研究风电机组及风电企业的固有特性，按规律办事，方能取得良好效果。

风电机组重大事故的预防

一、预防重大事故的总体思路

从烧毁、倒塌事故的产生来看，因机组设计、生产、安装、运维及现场改造中出现了安全隐患且没有及时发现和排除，从而造成了重大事故的发生。

在预防重大事故的具体措施上：在机组设计时，控制逻辑、变桨及主控程序完善，应设置多重保护，机组的自检项目设计完善；在机组部件采购时，保证变桨、主控、变频器及箱变等重要机组部件的采购质量和保护措施的完善；在机组吊装和未运行时，避免三支桨叶同时处于最大迎风面位置；在处理机组故障过程中，应有足够的警惕和安全意识，及时发现和消除安全隐患（这对预防重大事故发生起着直接的作用）；在机组定检维护时，重点检查三支叶片同时不能顺桨、安全系统故障和常见安全隐患；在管理体制上，通过高质量的机组主控和后台管理软件，真正实现对机组的多级管理，确保能通过远程发现机组的安全隐患；谨慎实施机组的现场改造，尤其是采用成熟技术的现场机组；在事故发生后，应重视事故分析，在分析正确的基础上实施有效的整改措施，对症下药，以取得较好的预防效果。

二、 风电场机组管理的具体措施

在机组检查、维修、维护时，应首先保障人身安全，认真排查和消除机组的安全隐患。在维修时，尤其在维修变频器时，则应提前关闭变频器上的相关电源开关或断开箱变；保持机内整洁，避免产生安全隐患等；认真研究风电机组的安全运行原理，总结经验教训，检查重点部位，有目的、有意识地做好机组安全工作，以期达到事半功倍的效果。在预防重大事故时，应具体做好以下几方面工作。

首先，充分发挥机组定期自动进行各项测试的作用，如，三支叶片同时不能顺桨故障；机组安全系统和重要部位应通过机组自检，检查安全隐患。

其次，在机组维修和定检维护时，注意重点部位和安全隐患的排查。如防止叶片脱落事故，应按规定检查螺栓的扭矩值，防止塔筒、叶片以及变桨轴承螺栓的疲劳损坏。如出现了螺栓断裂，还应检查叶片和变桨轴承法兰面是否存在不平整的问题。

第三，现场经验丰富的片区和总部技术人员，定期通过远程等方式对机组的安全隐患进行抽检或详细排查，直接参与风电场机组管理。并通过机组现场维护、维修出现的问题及部件损坏状况等，提前发现潜在安全隐患。

第四，充分利用互联网技术，借鉴世界先进风电企业的管理制度和风电场运作经验，依据风电场的特点及固有规律实施现场管理。调动现场服务人员的工作积极性，把行之有效的防范措施落到实处。

三、采取积极主动的防火措施

风电机组大都为非易燃部件，从已发生过的风电机组火灾事故来看，通常有以下几种情况：双馈机组停机不能脱网时，箱变的低压侧断路器不能跳闸，造成发电机长时间、大功率发热；桨叶不能顺桨，主轴刹车器不能良好制动，造成主轴刹车器长时间制动的摩擦起火；发电机轴承的保持架损坏、报死且轴承内部油脂过多，造成大量润滑油长期在机舱燃烧；变频器内部或箱变到变频器的动力电缆严重对地拉弧、打火，且箱变的低压侧断路器不能及时跳闸。这类事故因长时间的发热、烘烤和燃烧，使有机物变性、分子链断裂，导致阻燃物变成了可燃和易燃物，从而引发了机组烧毁事故的发生。

因此，在预防机组烧毁事故时，需从风电机组的安全保护原理出发，有效地避免三支叶片同时不能顺桨故障，确保相关的保护继电器、断路器在事发时能及时跳闸断电，这才是预防机组烧毁事故的关键。

在预防机组火灾事故中，双馈机组的变频器扮演着极其重要角色。当发电机定、转子的某个部位出现相间、对地打火或在发电机集电环处严重打火时，变频器会报故障停机，并网开关（没有定子接触器的变频器）或断路器接到命令后瞬间断开。故障部位则没有更多的热量使有机物变性或燃烧，短路拉弧的能量为：I×I×R× t，其中，I为拉弧的等效短路电流；R为拉弧的等效电阻，△t为拉弧的时间，因此，断路器的断开时间越短越好。

对设计有发电机定子接触器变频器的双馈机组，断路器主要执行带负荷断开任务，具有灭弧罩，不会因甩负荷断开出现严重拉弧烧毁变频器内的部件或引发火灾，从而有效地保证了变频器及机组安全。定子接触器虽然具有一定的带负荷切入和切除能力，但影响寿命。在正常情况下，机组报变频器故障或因机组报故障执行甩负荷停机时，断路器首先断开，其断开时间短。在断路器断开之后，定子接触器再后续断开。如果定子接触器改造或控制失当，定子接触器首先执行带负荷断开命令，因没有灭弧装置，且断开时间一般在100～150ms，定子接触器在变频器柜内拉弧的时间增加。如长期执行带负荷切除，容易引起接触器触头分断能力下降，甚至粘连，导致不能正常分断。

因此，不恰当的定子接触器改造，则可能带来更大的安全隐患。如果变频器因设计、生产、改造质量不过关而存在安全隐患，不仅可能导致变频器的故障概率增加和烧毁，还可能引发机组烧毁事故的发生。

四、发挥变频器和箱变的保护作用，检查接地电缆，预防火灾事故

依据我国近年来变频器、机组烧毁事故分析，以及风电快速发展时期的现场施工质量现状，为预防变频器及机组烧毁事故的发生，首先，应检查变频器、箱变的安全保护系统能否正常工作以及各项功能是否齐全；其次，需检查箱变的低压侧中性线，发电机定、转子接地电缆和变频器平台的接地电缆是否良好接地。具体措施如下。

为了保证机组安全，断路器设置应合理，充分发挥变频器的保护作用，在维修时，保证变频器的各种保护措施正常工作，断路器的维护重点应该是分合闸运动机构、参数设置和触点烧蚀情况等。检查变频器内的控制参数设置；检查变频器平台的接地电缆与发电机定、转子接地线能否在塔筒底部良好接地，有效保证电气连通性。

确保箱变的低压侧断路器质量和正确设置。定期维护低压侧断路器，检查其过流及对地、相间短路时的自动跳闸功能。如变频器不能及时脱网，可通过箱变低压侧断路器瞬间跳闸，保护变频器及机组安全。检查并确保箱变低压侧的中性线和机壳在箱变处良好接地，箱变接地电缆还应在塔筒底部的基础环处与变频器平台的接地电缆，发电机定、转子接地电缆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，箱变的动力电缆对地短路，可使箱变低压侧断路器瞬间跳闸；其次，可以避免单相对地电压的升高，以保护变频器及机组的相关部件；第三，箱变的机壳与低压侧中性线的良好接地，有利于保障人身安全，防止触电事故的发生。

综上所述，确保变频器、箱变质量和设置正确；保证发电机定、转子接地电缆，变频器平台的接地电缆，以及箱变接地电缆在塔筒内的良好接地，对预防风电机组火灾事故具有重要意义。

摄影：刘磊

结语

在分析重大事故时，应从机组保护的基本原理分析问题，密切联系同种机型的运行特性和维修经验，找出事故的根本原因，并以正确的结论去指导现场和排除安全隐患。在预防重大事故时，需根据风电机组的运行及分布特点，制定与机组运行特点相适应的管理办法，建立与风电发展相适应的企业管理体制，减少和避免重大事故的发生。