一起1.5MW风力发电机组火灾事故调查与分析

殷豪

摘  要：伴随风力发电机组投运数量及运行时间的不断增加，各类火灾事故日益频发。应当重视对风力发电机组火灾特性和消防系统的应用研究，确保风电机组的安全运行。通过对内蒙古某风电场一起1.5MW风力发电机组火灾事故的调查，深入剖析事故起因和形成机理，并结合风电机组火灾特性研究，提出整改和防范措施。

关键词：风力发电机组;火灾特性;机舱火灾;事故调查

中图分类号：TM614        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）23-0082-03

Abstract： With the continuous increase of the number and running time of wind turbines， all kinds of fire accidents are becoming more and more frequent. Attention should be paid to the research on the fire characteristics of wind turbine and the application of fire control system to ensure the safe operation of wind turbine. Based on the investigation of a 1.5MW wind turbine fire accident in a wind farm in Inner Mongolia， this paper deeply analyzes the cause and formation mechanism of the accident， and puts forward the rectification and preventive measures based on the study of wind turbine fire characteristics.

Keywords： wind turbine; fire characteristics; engine room fire; accident investigation

引言

2019年1月，國家能源局发布行业统计消息：2018年，全国新增并网风电装机2059万千瓦，累计并网装机容量达到1.84亿千瓦，占全部发电装机容量的9.7%。2018年风电发电量3660亿千瓦时，占全部发电量的5.2%，比2017年提高0.4个百分点。风电已成为我国继煤电、水电之后的第三大电源。

风力发电机组空间狭小，而且容纳了各种高昂的电子、电气设备及液压油、变压器油、齿轮箱油、润滑油、隔音泡沫、电线电缆和塑料机舱罩等多种可燃和易燃材料，因此潜在火灾危险性很高。伴随风电机组投运数量及运行时间的不断增加，各类火灾事故日益频发[1]。根据英国Caithness Windfarm Information Forum不完全统计[2]，截止到 2014 年 9 月 30 日，在世界范围内公开报道并经证实的1614起风机安全事故中，火灾有 236 起，占事故总起数的14.6%，是仅次于叶片损坏事故（18.5%）的第二大常见意外事故。风机火灾事故往往造成机舱全部烧毁，经济损失巨大。因此，应当重视对火灾特性和消防系统的应用研究，确保风电机组的安全运行。

1 风电场和风机介绍

内蒙古某风电场位于内蒙古克什克腾旗，地貌类型为起伏较大的山丘地带，平均海拔高度为1400米;安装SL1500型风电机组33台，容量49.5MW;安装FD70B型风电机组33台，容量49.5 MW，共安装35kV风机变66台，由4回35kV 集电线路汇集至升压站，安装主变1台，容量120000kVA，由1回220kV线路送入一次变，送出线路长度94.63km。

1.1 风机结构

某1.5MW系列风电机组是引进德国Repower公司MD70/77型风力发电机组的三叶片、水平轴式风力发电机组，采用变桨、变速恒频、双馈异步的发电技术。主要由叶片、轮毂、变桨轴承、变桨控制系统、主轴、主轴承、齿轮箱、液压及制动系统、联轴器、发电机、主控制系统、偏航轴承、塔筒、变频器等部分组成[3]，如图1所示。

1.2 风机参数

FD70B低温型风力发电机组，额定功率1.5MW，轮毂中心高度65m，风轮直径70m，扫风面积3850m2，切入风速3.5m/s，额定风速11.5m/s（静态），切出风速25m/s，生存风速59.5m/s，风区类型IECⅡA，转速范围10.6～19rpm（+10%），额定转速19rpm，运行温度-30℃～40℃，生存温度-40℃～50℃，机舱尺寸10200×3725×3910mm，机舱重量61t，轮毂16t。

1.3 技术特点

该1.5MW风力发电机组的主要技术特点如下：1.5MW风力发电机组采用水平轴、三叶片、变桨距调节、双馈异步发电机系统。采用电气驱动变桨结构，实现单叶片独立变桨。制动系统采用叶片顺桨实现空气制动，降低风轮转速，同时配备转子制动器做辅助刹车。传动链主要由主轴、主轴轴承、主轴轴承座、齿轮箱、联轴器及发电机组成。风电机组变速恒频，欠功率状态下为转速控制，调整发电机转子转差率，输出最大功率。发电机-变频器系统采用转子电路部分功率变频技术，采用四极带滑环的双馈异步发电机。机组自动偏航系统能够根据风向标所提供的信号自动确定风机的方向。塔底与机舱之间采用光纤通信，设计了电动提升装置。

2 事故及运维概况

8月22日，风电场接到当地牧民报警电话。05：41运行人员到达现场，发现A风机机舱着火，立即启动应急预案，对A风机所在集电路线进行了停电隔离，并委派人员警戒隔离区、监控后台事故信号、对相关数据进行记录。

A风机发生事故前已安全运行8年时间。3月26日巡检时发现该发电机转动异音较大，通过对不同转速的设定，并对发电机轴承进行检查，前后轴承震动较大。检修人员于3月30日更换发电机前后轴承，更换后风机试运行，发电机异音消除。A风机近期检修情况如表1。

3 事故调查与分析

3.1 现场勘验

三只叶片全部回桨，其中一只叶片烧断后掉落地面基本烧完，另两只叶片根部部分过火;轮毂罩壳部分烧毁;机舱罩壳全部烧毁。风机残骸如图2所示。

变频器：从变频器故障时序及故障分析认为送至机舱的UPS电源短路故障或因机舱火灾导致主控与变频器间的开关量或模拟量电缆烧毁导致各种故障引发。变频器外观完好，并网柜内部正常，定子接触器、断路器正常断开，反馈触点正常，未发现任何异常损坏，认为变频器执行了规定的停机动作，功能正常。

主控故障信息：结合变频器故障记录，按理OPC远程系统应该出现两次变频器故障，但只出现一次。结合OPC数据截止时间8月22日05：29：43，结合机舱温度数据如图3，认为此时主控制柜已烧毁或因UPS电源线路短路导致主控制器及通讯模块断电。

机舱：刹车罩壳完好，刹车盘、刹车片无严重摩擦现象，排除刹车严重磨损、机械摩擦发热导致火灾的嫌疑;齿轮箱侧联轴器疑似在燃烧前强行剥离、撕裂现象;拆开盖板后检查接线，没有发现线鼻子松动情况，没有发现疑似短路、放电、电缆烧灼现象，检查所有发电机定、转子接线盒盖板，未发现放电痕迹;定子回路电缆检查未发现明显短路、烧灼点;转子回路电缆检查，除接线盒下部位置存在异常外，机舱内其他部位为发现明显短路、烧灼点;发电机后轴承内部端盖处氧化物附着严重，氧化严重或油脂碳化堆积，轴承内部温度高，发电机轴系已抱死;塔筒内部电缆完好，穿孔处保护良好。

发电机解体：前轴承内圈、外圈滑道光滑，滚珠光亮，油脂正常、无严重碳化现象;后轴承小端盖外部安装螺栓取下后，小端盖仍然无法取下，硬性敲击后才取下，发现小端盖粘连在轴承油封上，再行盘车，发现可以盘动。发现轴承内部、油封、端盖均无油渍，只有氧化、碳化痕迹。后轴承内圈滑道上多处有凹槽，高低不平，数量与滚珠数量一致。积油盒经过了充分燃烧或气化，只有氧化、碳化的痕迹。

3.2 原因分析

风机事故前较长时间内，风机因变频器参数设置问题，以及变频器与机舱主控间力矩值模拟量问题等原因，风机功率一致存在较大振荡现象。

风机事故时，发电机后轴承突然严重损坏，轴系振动增大，同时导致发电机定转子间间隙周期变化，加剧功率振荡，并呈发散现象;此时发电机后轴承严重损坏、挡圈与小端盖摩擦、产生持续高温，导致轴承内油脂快速熔化、流出，然后燃烧，在机场尾部引发火灾，烧至发电机转子电缆处时，烧毁多根转子电缆的绝缘，导致转子电缆多处同时短路，风机报变频器故障停机。

风机在停机过程中，发电机后部严重振动，联轴器经受很大的冲击，导致玻钢间打滑、撕裂，撕裂瞬间，风机报振动开关动作，风机紧急收桨、停机。

风机因火灾烧毁整个机舱，机舱内所有部件全部报废，烧糊部分轮毂罩壳，轮毂内所有部分因高温烧损报废。

风机未报发电机后轴承温度高故障：该故障触发条件为后轴承温度超过100℃且持续5秒延时，分析认为后轴承严重损坏时，轴承处温度快速升高，尤其出现摩擦现象时，传感器处温度急剧升高，导致线路因高温烧致短路，未能引发故障。经过试验验证，当发电机轴承温度传感器信号线短路时，风机不报故障。

风机未报环境温度高故障：该故障触发条件为环境温度超过45℃且持续50秒延时，分析认为可能因为设置原因，该故障不能正常工作，从OPC数据中发现，环境温度在8月20日14：57：08后一直大于45℃。

4 风电机组火灾特性

风电机组频繁发生火灾的原因有：（1）风电机组内部

使用了大量的可燃、易燃材料，机舱罩的玻璃钢、玻璃纤维增强塑料和隔音泡沫;齿轮箱用油和轴承润滑用油;变压器油等易燃材料不仅是火灾隐患，还能加快火势蔓延。（2）风电机组运行时间长，电气元件及电缆存在不同程度老化，机械部件在非正常磨损过程中，容易产生高温达到油脂闪点。（3）机舱位于六、七十米高空，易受雷击，密闭高温的机舱起火后借助风势，常造成严重事故。（4）受低價中标的影响，国内大多风电机组没有配置自动消防系统。在火灾前期无法有效遏制火势发展。（5）风机监控管理水平有待提高，运维人员缺乏故障处理经验和检修现场条件复杂。就本次事故而言，笔者查询《故障代码记录》得知A风机从6月5日至8月20日期间，一共出现了48次“1323故障报警”（1323：齿轮箱低速轴轴承温度过高）。尽管运维人员一直对该风机进行常规巡检和故障处理（如表1），但始终无法真正解决问题，就在厂家人员给出“继续观察一段时间”的处理意见2周后，A风机发生了火灾事故。

5 结束语

为了避免类似事故的再次发生，整改和防范措施如下：

（1）对全场风机轴承进行专项检查，发现异常的，需打开轴承端盖检查轴承滚道内部情况。

（2）增加风机废油脂的清理频次。

（3）在机组发生超速、振动等故障时，应仔细检查机组各部件是否有异常，严禁后台直接复位启机运行。

（4）严格按照机组维护手册对机组进行定期维护，应完善维护记录，维护记录应能体现出每次维护的实际工作内容。

（5）为了进一步加强主轴承状态监控，建议对该风场机组增加主轴承温度和振动监控。

（6）考虑风电场当地气温条件，建议拆除机舱保温材料。

（7）建议进行风机改造，增加自动消防系统。

参考文献：

[1]王振华，等.某850kW水平轴风力发电机机舱火灾模拟与分析[J].安全与环境学报，2017，17（1）：133-140.

[2]Caithness Windfarm Information Forum 2014.Summary of wind turbine accident data to 30 september 2014[EB/OL].[2015-04-13].http：//www.caithnesswindfarms.co.uk./.

[3]东方汽轮机有限公司风电事业部.1500kW风力发电机组检修服务指南[Z].四川德阳，2016.

[4]张琛，郭盛，高伟，等.基于可靠度的风电机组机会维修策略[J]. 广东电力，2016，29（2）：40-44.

[5]刘德利，黄志强.一起进口风力发电机火灾事故调查[J].消防科学与技术，2009，28（7）：546-548.