某品牌1.5MW机组变桨K2继电器技改优化

【摘要】随着时间的推演，1.5MW机组已成为大多风电公司的老旧机组，很多严重问题开始突显，又伴随着平价上网的临近，能效监督要求越来越高，必须深度挖掘机组的最优性能，解决机组问题，符合现场实际，从而使设备更稳定、健康。某品牌1.5MW机组变桨近期暴露出一个致命问题，由于K2继电器的运行老化和频繁动作，造成故障频发、难处理，甚至造成了人身和设备的安全隐患。本文将重点从变桨系统带来的危害和弊端、技改优化的方案及变桨系统改造优化后的效果三方面进行阐述、分享。【关键字】K2电磁刹车继电器技改优化方案效果与收益1.技改优化项目背景以某风电场33台某品牌1.5MW机组为例，该风电场2018年因变桨系统故障损失发电量140万kWh,故障主要集中在变桨过压、K2继电器失效、旋转编码器失效，其中因变桨过压故障损失电量45.6万kWh。变桨过压故障特点：1.1故障处理难度大变桨过压故障现象：报文通常为某子站丢失，一支叶片未顺桨，变桨柜内24V失电，24V保险熔断，24V回路存在多个短路点，因过压导致压敏电阻击穿，回路存在多个短路点，同时因过压导致批量器件损坏，对处理故障人员技能水平要求高，通常情况下处理该故障人员需反复登塔三次以上才能完成消缺。1.2备件损坏多2018年某风电场因变桨过压损坏备件统计如图1，单单由于过压损坏的备件金额高达12万元以上。图1：因过压损坏的备件统计1.3安全隐患高若机组因压敏电阻击穿后，X3-3和X3-4两个压敏电阻击穿后短路（如图2），相当于将机组限位开关屏蔽，齿形带绷断、张紧轮断裂（如图3），叶片自由旋转，处于不可控状态。图2：因过压损坏的备件统计图3：齿形带绷断、张紧轮失效2.原因分析及技改思路2.1原因分析通过多年的风电机组设备数据台账统计和典型故障案例的分析，以压敏电阻击穿作为切入点，压敏电阻击穿说明24DC回路至少串入77V以上电压（如图4压敏电阻保护电压77V），变桨系统共存在三种电压等级（220VAC/60VDC/24VDC)，检查重点包括两条回路并列排布的线路绝缘、变桨电机、AC2等，没有发现任何痕迹表明220VAC回路与24VDC回路存在短路。图4：X3端子排压敏电阻参数因超级电容容量大，直流电压不能突变，造成压敏电阻击穿电压应为交流电压，同时NG5、DC/DC模块存在整流环节，有隔离作用，交流电无法通过以上设备串入24VDC回路，经过电气回路及实物分析，最终锁定K2是造成220VAC串入24VDC回路的故障点（如图5交流触点紧挨着直流触点）。图5：K2继电器触点实物分配图因此可以初步判定，随着电网对AGC平台的快速推进，对风电机组的要求更高，又由于三北地区限电情况不断加剧，所以对于风电机组的变桨系统是一次严重考验（AGC指标不断变化，风电机组需频繁变桨来跟踪AGC指标，从而暴露出很多变桨问题），由于频繁变桨，K2继电器不断动作，交流220V电压触点必然频繁开断拉弧，随着触点保护层的电蚀，势必将电弧串入24V直流系统内，造成压敏电阻击穿（如图6），从而造成短路（正负极短路或接地短路）。图6：损坏的压敏电阻2.2技改思路通过以上分析，变桨系统24VDC过压主因是电气回路设计不合理（早期设备未考虑到接收电网AGC指令后会频繁变桨），K2接触器同时控制230VAC及24VDC，造成交流电压串入直流系统可能，K2接触器主要作用是控制变桨电机刹车，变桨采用交流电机，控制策略是每次桨距调节均需要K2动作，动作十分频繁，同时电磁式接触器随着工作年限增加，触点发生电蚀，存在接触间隙，放电现象明显，极容易发生交直流短路及批量失效问题。因此从以下几方面进行技改升级：将变桨电磁刹车接触器K2中230VAC触点拆除，避免230VAC串入24VDC回路，导致批量备件烧毁，将K2电磁式接触器更换固态继电器，固态继电器具有寿命长、可靠性高优点，已解决K2批量失效问题，升级改造图纸如图7和图8。图7：改造前图纸图8：改造后图纸3.现场实践3.1作业安全措施①将作业风机手动停机并打至维护状态，切断风机远程控制；②可靠锁定叶轮两侧机械锁；③将三个变桨柜手自动开关S1切换到手动状态；④将三个变桨柜的Q1空开断开；⑤拉开F5保险座，并取出;⑥用万用表测量X2的8口无24V；⑦技改完成后进行手动测试，并两人进行配合，若冲限位，及时断电。3.2所需工具及耗品表1：所需工具及耗品3.3作业步骤3.3作业步骤①进入风机后，手动停机，将维护开关旋至维护状态，挂上“禁止合闸，有人工作”安全标识牌，门口挂“在此工作”标识牌。②进入机舱锁定叶轮（风速超过12米/秒时，严禁锁定叶轮），叶轮锁定后，人员可进入轮毂，严禁叶轮未锁定情况下进入轮毂。先将三个变桨柜打到手动状态，然后将三个变桨柜的Q1打到OFF状态，切断3台控制柜电源,最后将滑环电101F4断开。③打开3台变桨控制柜柜门，用万用表核实变桨柜是否带电，确认变桨柜不带电后进行改造。④拆除作业：1）安全打开柜门后，首先移除线槽盖以便于后续操作。以下操作均按图9为主视图进行描述，首先进行线缆的拆除，在实施过程中必须看清线号（可通过相机留影辅助作业），杜绝在改造完成后发现错误进行返工，根据原理图进行X2-8与X3-1（图10）的下口进行拆除。图9：变桨柜柜体主视图图10：X2-8与X3-1进行拆线注意：在拆除导线操作中，由于一代VENSYS变桨无线套，所以必须先核对端子排名称及端子号；其次，必须将线缆两侧都拔出后，通过万用表通断档进行检测，从而保证拔除的是同一根线缆！2）由于线槽内线束捆扎成束，无法将拆除的线缆取出，因此应将裸露线鼻子进行绝缘防护，要求缠绕3-5圈，必须将线鼻子完全缠绕紧固，并放置在线槽内。⑤安装作业：1）根据主视图，将固定卡扣取下（部分机组无卡扣，可忽略），向右移动滤波模块（绿色LC滤波模块，部分机组无此模块，可忽略），从而预留出固态继电器位置，使固态继电器安装于保险组件左侧，如图11；将卡件、A10、蓝色继电器组右移，预留出K3.1继电器位置，安装与保险组件右侧，如图11。图11：固态继电器和K3.1继电器安装位置2）根据改造后原理图进行接线，按照工艺要求，注意电缆的弯折情况，保证端子排安装到位。按照改造后原理图，控制线从X2-8下口拆除端为首端，依从接线至固态继电器Crydom的+1入，2出，再到K3.1的11触点入，14触点出2根，一根到X3-1的下口（拆除端），另一根到X11-5的端子（中间通过快插进行隔离，便于机组撞限位后，维护人员能高效处理）；对于固态继电器和K3.1的电源线分别取自K2和K3的A1、A2电源线，固态继电器的+3接于K2继电器的A1，固态继电器的4接于K2继电器的A2，K3.1继电器的A1接于K2继电器的A1，K3.1继电器的A2接于K2继电器的A2。3）线缆安装完成后，使用万用表测量每根新增的线缆确保接线正确，填写检查表（见附录表2）。然后对柜内进行恢复。随后检查柜内有无工作残留物，盖上线槽盖，恢复到正常状态，依次对另外两只桨叶进行改造。表2：改造完成后线缆接线检查表⑥上电检测：1）滑环上电，且三柜都处于手动模式，逐一柜体上电；2）上电后叶片应该停在87度接近开关位置，对改造后的柜体进行手动点动向后（90度方向）变桨，此时桨叶应能动作，听电机是否有开合闸动作，同时测试向前（0度方向）变桨，观察是否正常；3）手动向后变桨直至触发92度限位开关，触发92度限位开关后，手动向前向后均失效，且无开合闸动作；4）用快插和短接片切换至强制手动状态，此时向前向后均可动作。在强制手动状态下，将桨叶向前变桨至70度左右，开合闸动作正确；5）取消强制手动状态；6）确定人员处于安全位置时，将柜体切换至自动状态，此时桨叶应能自行运转到87度位置，开合闸动作正确；7）若改造多个柜体，测试其他柜体时，测试完毕的柜体应仍然切换至手动状态，且切断电源；8）测试无误后，对柜体进行恢复，上电，切换为自动模式，并带走工具以及轮毂内工作残留物。4.结束语截止2019年12月，该技改已在7台机组上实施（其中5台曾发生24V过压故障），按照故障规律发生24V过压机组，如果不做技改会发生二次过压，目前该7台机组运行稳定，未发生过压及K2、旋转编码器失效情况。按照2018年统计某风电场一期项目33台1.5MW机组为例，变桨系统故障损失电量为140万kWh，因变桨过压、K2失效、旋转编码器失效