风电机组倒塔事故原因综合分析

编辑 | 风电头条 信风

【摘要】本文从机组设计、运维管理和质量控制等角度，分析倒塔事故发生的原因。运行过程中超速飞车是倒塔事故发生的主要原因，机组设计存在不足没有从源头上阻止事故的发生。在运维过程中，人员的不规范操作是事故发生的另一个重要原因。本文通过分析可能导致倒塔的原因，为减少此类事故的发生提供帮助。

【关键词】倒塔事故 超速飞车变桨控制 运维管理 叶片质量

一、引言

随着风电行业的快速发展，风电机组倒塔事故时有发生，给风电运营商、风机制造商及相关各方造成重大经济损失，甚至严重的人身伤亡事故，严重影响行业健康发展。倒塔事故发生后，无论是主机制造商还是运营商，为减少事故的负面影响，都采取低调处理的方式，并没有采取“四不放过原则”处理事故，事故原因并没有彻底调查清楚，而是匆忙更换新机组。事故发生后，行业内没有交流共享，导致同样的事故屡次发生，给行业造成本可避免的损失。发生倒塔事故是小概率事件，设计上的不足，工作人员的不规范操作，质量问题都可能导致倒塔，本文通过分析可能导致倒塔的原因，为以后减少此类事故的发生提供帮助。

二、运行过程中超速飞车引起倒塔

风电机组倒塔大部分是在运行过程中，超速飞车引起倒塔，之所以在运行过程中超速飞车，主要还是因为机组和变桨系统设计存在不合理之处。我国风电早期主要靠引进技术，后期消化吸收，目前已基本具备再研发能力。变桨系统作为风电机组独立的的子系统，其自身具有缜密的逻辑判断和故障诊断功能，与风机主控的关联主要包括通讯、供电、安全链回路。风电机组停机方式主要有：正常停机、快速停机和紧急停机三种方式，根据机组设计载荷不同，三种停机方式的控制速度也不同。其中，正常停机和快速停机方式下，变桨系统均是接受风机主控指令完成顺桨；紧急停机是触发安全链停机，并分为两种情况：一是变桨系统报故障，主动断开安全链按照预期速度执行顺桨；二是风机其他系统安全链断开，导致变桨安全链断开执行顺桨。（1）轮毂没有超速保护变桨系统自身不具备监测叶轮转速功能，目前通常的做法是机舱柜内安装的超速模块检测叶轮转速，当超速模块检测到超速时，通过安全链模块控制EFC回路完成紧急顺桨。如果PLC死机的情况下，安全链模块不能完成顺桨。从监测到超速，到控制紧急顺桨，控制回路较长，任何环节出现问题，都可能导致不能安全顺桨。目前的系统设计中，叶轮超速发生后，小概率情况下主控并未将该信号传递到变桨系统，某些情况下（经实际验证，发生概率不低）此类故障并不能可靠顺桨，导致严重故障甚至倒塔情况发生。（2）顺桨逻辑不合理

图1 变桨系统拓扑图

如图1所示，早期风电机组的变桨系统，to当系统发生一般故障时，主控将发送收桨命令给变桨系统，由变桨PLC控制驱动器收桨；当系统发生严重故障时，系统第一收桨逻辑是切断EFC信号，由后备电源控制电机直接顺桨。

图2 顺桨逻辑图

如图2所示，当出现较严重故障时，直接切换到电池顺桨，此时如果电池出现问题，则机组无法安全顺桨，机组可能出现超速飞车。除此之外，还有如下劣势：

• 通常情况下，严重故障发生频次较高，故障未作归类，起动收桨的次数十分频繁，后备电池使用率居高不下，电池寿命大大缩短；

• 电池直接驱动直流电机运行，由于电池电压一般在216V左右，即使系统里加入限流电阻，效果也十分有限，电机运行速度不可控，在撞到限位开关之前，速度很快，给风机塔筒造成很大冲击。

（3）安全链回路元器件安全等级不够

图3 变桨安全链示意图

图3中，安全链模块为经过安全认证的模块，可靠性较高，但是控制EFC顺桨回路的继电器为一般继电器，安全等级较低，可靠性较差，如果紧急顺桨情况下，不能有效断开，则会发生超速飞车等故事。

三、人为操作不当引起倒塔

2019年4月12日甘肃民勤某风电场发生一起风机倒塔事故,造成四人死亡，一人重伤，一人轻伤，损失惨重。

图4 事故现场

事后分析得知，由于该风机变桨控制手动模式下开桨后，未及时收桨到基准位置（89°），三只叶片桨叶均处于开桨位置0°左右，此时松开叶轮制动刹车，当时平均风速约6m/s，发现风机转动后，现场人员未有效进行收桨操作，变桨在手动模式下（权限最高），风机超速后不执行紧急收桨。风机在桨叶全开时持续空转，迅速加速进入超速状态，一只叶片无法承受过大的离心力而开裂，进而导致动力失衡，最终风机倒塔。事故发生原因分析：1、近几年定检维护工作价格持续下降，导致维护人员素质不高，很多都是由第三方公司完成，第三方公司为了降低成本，只能招聘素质不高的人员，这些人员无论技术能力还是安全意识都达不到要求。2、机组设计存在不足，在超速发生后，没有紧急停机机制，在超速发生时，需要设置简单易操作的停机按钮，保证机组能安全停机。这是一起典型的违规操作引起的事故，但这并不是第一起在维护过程中发生的倒塔事故。在2014年新疆某风场调试过程中，调试人员将三个叶片开桨，导致超速飞车倒塔，引起1死2伤的惨痛事故。除了人员操作的问题，机组研发人员更应该从事故中，吸取教训，从源头上避免此类事故的发生。

四、其它原因导致倒塔

2017年宁夏某风电场2MW机组倒塔，经调查，该机组叶片存在质量问题，在运行过程中叶片撞击塔筒，导致叶片断裂，塔筒折断。除去叶片质量问题，如果工作人员能定期检查叶片，或者能使用一些智能设备监测叶片，在叶片出现小的裂纹时能及时采取措施，或许可以避免倒塔事故的发生。在行业发展早期，出现过因为层层转包，最后施工质量不达标，出现倒塔情况，随着政策的完善，此类事故近几年较少发生。但日常运维过程中，应多注意塔筒基础的异常情况。

五、总结

从2005年开始，风电行业进入快速发展期，国内整机制造商一哄而上，出现风电大跃进。在这一特殊时期，机组的质量和安全存在诸多隐患，不利于行业健康发展。通过梳理倒塔事故，主要是在运行过程中发生超速飞车，导致倒塔。国内整机制造商引进技术后，基本不做修改，现在的技术和引进时的技术差别不大，即使存在不完善之处，也不敢在安全方面做出改进。另外全行业都在追求更高更大的机组，没有将注意力集中于早期机组，也是行业非良性发展的一个原因。

要减少倒塔事故的发生，首先要从设计上提高机组安全可靠性，从源头上堵住安全漏洞。此外在后期维护过程中，提高员工的技术能力和安全意识，只有全产业链从上到下共同采取行动，才能杜绝事故的发生。

来源：《风能产业》2020年第2期