双馈风力发电机组偏航系统驱动装置故障分析及预防

五凌电力有限公司广东分公司 马克鹏 彭 发

在经济社会的建设和发展中，电力作为重要的基础能源。同时，电力本身也与人民的生产生活息息相关[1-3]。随着新能源在电力市场的占比不断扩大，风电作为新能源板块的重要组成，风电场的安全稳定运行对电网的安全影响越来越大。因此，全面提高风电设备健康水平，对于电网安全稳定运行具有重要意义，也是对国家节能减排工作的一种支持[4-5]。风力发电机组偏航系统驱动装置健康水平很大程度上影响了发电效益和安全效益[6]，因此，对于偏航系统的异常现象进行分析，并提出相应的解决方案和建议，具有重要的现实意义。

阳春市回头龙风电场位于广东省阳江市阳春市，距阳春市直线距离约23km。项目装机96MW，安装34台叶轮直径141m、轮毂高度为90m 的风机（其中23台2.65MW、11台3.2MW 风机）。新建110kV 升压站一座，所发电量通过I 回110kV 线路送至220kV旗鼓岭变电站，线路全长26.8公里。项目于2020年12月投产发电。偏航系统驱动装置采用重庆齿轮箱有限责任公司和邦飞利传动设备（上海）有限公司的设备。

1 故障情况

风机监控系统报“偏航电机未得电时转速过高”，下次偏航时报“机舱Z 方向瞬时加速度越1级门限”。对偏航电机齿轮箱开盖检查，发现卡簧脱落，导致偏航电机驱动器齿轮打齿，如图1、图2所示。大风天气持续期间，先后发生同类故障涉及5台风机，共计16台驱动电机。

图1 偏航电机驱动器齿轮箱输入轴卡簧脱落

图2 偏航电机驱动器齿轮箱打齿

2 故障诊断分析

2.1 可能存在的原因

导致偏航电机驱动器齿轮箱卡滞、打齿的原因主要包括以下几个方面。

2.1.1 装配方面输入轴卡簧未装到位；输入轴承未装到位；卡簧装配塑性形变；卡簧装配方向是否错误。

2.1.2 设计方面

结构设计不合理；卡簧强度设计不足；卡簧材料选择不合理；卡簧沟槽设计不合理；轴承配合处轴径公差不合理。

2.1.3 材料及热处理方面

材料成分不符合要求；非金属夹杂超标；表面硬度过高。

2.1.4 制造方面

轴承配合处输入轴径尺寸超差；轴承配合处输入轴径粗糙度超差；卡簧沟槽尺寸超差。

2.1.5 工况方面

机舱振动；偏航热继；外载超限。

2.2 根本原因分析

风机叶轮受到超过偏航系统制动边界的不平衡合载荷，机组在该载荷作用下发生持续的机舱位置改变的现象成为偏航滑移。如图3所示，风机叶轮左右两边的风速不一致，产生叶轮不平衡载荷，叶轮不平衡载荷的物理属性Mz，当其超过系统制动载荷时就会发生偏航滑移。Mz 越大，滑移速度越快，摩擦片磨损越严重。当Mz 足够大，转速越来越大，偏航电机驱动器齿轮箱内的卡簧受力影响脱落，导致偏航电机驱动器齿轮箱卡滞、打齿。

图3 偏航滑移受力分析

根据故障时刻数据分析结果，在10min 时序中平均风速15m/s，共发生2次滑移，滑移时偏航电机平均转速均超过5000rpm。第二次滑移前后风向发生突变，导致在风轮上形成较大的不平衡载荷，该时刻外载约为5700kNm，超出偏航系统的制动边界，机舱出现滑移，同时齿轮箱输入端卡簧松脱造成齿轮箱卡滞，故11:52:35后的一次偏航中偏航电流为72A，机舱位置未发生变化，说明已经发生失效。

由于故障发生期间，电场所在区域连续经历“狮子山”“圆规”两次强台风，山地风电地形复杂，受台风影响较大，恶劣风况导致偏航滑移，造成偏航电机驱动器齿轮箱输入端卡簧在多次高转速累积作用下张口脱落，进一步引起齿轮箱卡滞、打齿。

3 故障处理方法

电场共34台风电机组，其中3台机组采用重庆齿轮箱有限责任公司供货的偏航驱动装置，31台机组采用邦飞利传动设备（上海）有限公司供货的偏航驱动装置，邦飞利供货的偏航驱动装置设计了该卡簧，故障机组均为该31台机组内。

对5台故障的风机驱动电机及齿轮箱整体更换。

未发生故障的风机经厂家综合对比分析论证，该卡簧设计不合理。对同类型的31台风电机组予以拆除高风险机组的卡簧。

更换更耐磨的电机摩擦片，延长电机摩擦片寿命，防止抱闸制动力丧失过快导致滑移频繁发生，不同转速下摩擦片500次试验磨损率对比如表1所示。

表1 不同转速下摩擦片500次试验磨损率对比

加强设备精密巡检和定期维护。风机定检中，加强摩擦片检查，根据磨损情况提前更换。持续监测相关报警情况和大风机运行情况分析，及时优化调节制动力矩。

4 日常检查及维护要求

4.1 日常检查

所有电缆正确安装在线槽或支架上，固定牢固，无松动现象。

机舱内防雷接地线缆正确安装，螺栓及接地线连接可靠无锈蚀、松动、脱落，无电弧痕迹，一字标记无错位；没有油脂等易燃物在接地连接的通路上，连接编织带和电缆无发黑；所有接闪点无漏水，接闪点硅胶无开裂、缺失。重点检查机舱接地跨接线有无松动、污损、锈蚀等。

动力电缆，控制电缆，通信电缆及光缆等均应分类，分层排列敷设。

电缆均无磨损，无裂纹，电缆过锐边处适当防护处理（垫胶皮）。电缆在锐边是否有防护措施。

所有可能发生相对运动部位的电缆均有耐磨材料防护。

偏航齿圈无异物，偏航卡钳防雷跨接线连接可靠无松动。

偏航油脂的废油应无外泄。重点检查机舱底板有无废油聚积。

偏航防尘毛刷可燃，周边不得有引火源（电气短路、火星等）。重点检查是否存在引火源。

偏航碳刷与齿圈接触正常，无间隙，碳刷支架无松动。

灭火器压力范围在正常范围内（绿区）。

4.2 维护要求

4.2.1 偏航齿轮润滑维护要求

对于有自动润滑泵的机组，检查确认自润滑泵运行无异常，各润滑点正常出油；油管接头无泄露，清除泄露的油脂；补充油脂至最大刻度线；清理堆积在塔筒顶外壁的油脂，确保塔筒壁无油脂堆积。

4.2.2 偏航齿圈手动润滑维护要求

对于没有自动润滑泵的机组，需手动偏航并用毛刷均匀涂抹一层油脂到整圈齿面，油脂不能过多堆积在齿面；清理堆积在塔筒顶外壁的油脂，确保塔筒壁无油脂堆积。

4.2.3 集油槽检查维护要求

检查集油槽无变形、移位、焊缝开裂等异常，集油槽连接螺栓无松动、变形等；集油槽和塔筒之间是否抱紧，连接处密封胶无漏涂或失效；集油槽内油脂无溢出，及时清理。

4.2.4 摩擦片自动润滑泵油脂加注维护要求

检查确认油管接头无泄露，自润滑系统运行无异常，各润滑点正常出油；清理偏航齿圈内圈堆积的油脂。

4.2.5 摩擦片单点润滑泵油脂加注维护要求

检查确认润滑泵油脂量，少于1/2需要加注，检查润滑泵、管路无泄漏、破损等异常。

4.2.6 偏航接地碳刷维护要求

检查确认表面无油脂，若发现油脂，立即清除；测量碳刷长度，有效长度小于20mm 需要更换。

4.2.7 偏航电机抱闸维护要求

检查前断开偏航系统供电；打开电机后罩，移除防尘圈；一周内均匀取3个点，用塞尺测量间隙并记录；间隙合格范围：0.3-0.5mm。

4.2.8 偏航电机刹车片维护要求

外观检查是否有严重磨损、变形、裂纹或划痕；如发现周围有碎末等磨损现象需测量刹车片厚度，如刹车片磨损量大于2mm 则需要更换。

4.2.9 偏航电机刹车扭矩维护要求

如有调整间隙需检查刹车扭矩；把扭矩扳手接口装偏航电机轴套，卡到偏航电机尾轴上检查刹车扭矩；合格范围根据各厂家供应商不同，参数各有不同。

4.2.10 偏航齿轮箱外观维护要求

偏航时偏航齿轮箱无异常噪声；检查确认油位正常，无漏油。

4.2.11 偏航齿轮箱固定螺栓维护要求

检查确认偏航齿轮箱与机舱底板的连接螺栓贯穿线无移位，维护检查过的螺栓做好一字标记，并且做防腐处理。

4.2.12 偏航齿轮箱固定螺栓维护要求

选择40A 交流档，分别顺时针、逆时针手动偏航，用钳形电流表测量偏航电流，待电流稳定后记录电流值。每个电机三相电流平衡，每相电流不大于5A。

4.2.13 偏航摩擦片维护要求

确认上摩擦片、下摩擦片和径向摩擦片外观正常，无异响、破损、窜出等异常。通过对不同位置测量的数据进行分析，计算得出磨损量，了解摩擦片的情况，根据各不同厂家要求不同，更换参数也不同。

5 结语

偏航系统作为风力发电机组的核心大部件，对机组的经济性、可靠性、安全性都有着不可动摇的地位，为了减少偏航系统故障的发生，提高设备健康水平，提出以下建议：一是加强日常巡视，针对偏航系统的接地、刹车摩擦片、刹车盘、电机油位、齿轮齿口、电缆等重点部位进行检查，及时发现设备存在的问题和隐患，尽早消除缺陷。二是加强运行值班参数监视，分析运行参数，及时发现故障。若已报故障，未查清原因禁止启动设备。三是针对地方性气候，在不同季节有针对性地检查。如大风季节前排查变桨系统和偏航系统故障问题，每年汛前排查塔筒内接地导通问题等。四是定期组织风机半年检和全年检工作，严格把控定检质量，确保检修质量符合维修要求，满足厂家标准。五是加强日常技术监督工作，对风机重要部件、螺栓、摩擦片、油样等进行监督管理，在质保期内通过风机厂家提供的试验数据进行分析，质保期外的要定期开展相关工作，及时分析数据。六是与风机厂家技术部门建立联络机制，重要技术问题形成会晤机制，第一时间确定故障问题和处理方案，便于减少经济损失和安全风险。