风力发电机组主断路器吸合失败分析及处理

【摘要】随着风电行业的飞速发展，截至2021年底，全国并网风电装机3.28亿千瓦，累计装机超过17万台、4600多座风电场站，随着时间推移，将会有越来越多的风电机组步入“老龄化”。本文对某风电场机组变频器主断路器吸合失败进行研究，对其原因和处理方法、预防措施进行详细阐述，希望对类似问题能够起到参考作用。【关键词】框架断路器分闸连杆合闸连杆分合闸线圈引言某风电场风力发电机组从最初投产至今已十年有余，随着运行年限的增长，机组各部件的磨损不可避免，尤其是动作频繁的机械结构，在低温、润滑不良的环境下，问题频发。本文以ABBSACEE3框架断路器为例进行讲解。1.SACEE3断路器整体结构图断路器外部结构可看到的部件有电子脱扣器、手动分闸按钮、手动合闸按钮、手动弹簧储能操作手柄、机械指示及合闸弹簧储能指示（如图1），该框断的参数为Iu=2000A,Ue=690V,Icu=85kA,Ics=85kA（如图2），配有24VDC合闸、欠压线圈各一个，220~250AC/DC储能电机一个。图1：SACEE3断路器2.各部件介绍2.1电子脱扣器ABB厂家Emax系列断路器所能提供电子脱扣器有PR121/P、PR122/P及PR123/P三种，适用于交流系统，以PR121/P类型（如图2）为例，此类具有完整的保护功能，宽广的门限值电流范围及脱扣时间的设定，适合各类交流电气装置的保护。图2：PR121/P电子脱扣器框断本体配置的保护功能有：过载保护(L)、瞬时短路保护(I)功能，无短路保护及接地保护。过载保护(L)：反时限长延时的过载保护(L)的特性为I2t=k；25个电流设定及8条曲线可供选择，每条曲线均已标明电流为3倍门限值电流时(I=3×I1)的脱扣时间(I1为设定门限)。瞬时短路保护(I)：保护功能(I)提供15个门限值电流，同时亦可设定将本功能关闭(将DIP开关置于“OFF”位置)。2.2断路器内部主要部件（如图3）及功能介绍图3：断路器内部结构合闸线圈(YC)：合闸线圈主要用于通过摇控方式分断或闭合断路器：当断路器处于合闸状态时，随时可对断路器进行分闸。断路器需要闭合时，只有当储能弹簧处于储能状态时，才可以合闸。根据合闸线圈的类型既可由交流控制，也可由直流控制，可瞬时动作(瞬时动作的持续时间最少为100ms)，也可长时间给它供电。欠电压脱扣器(YU)：欠电压脱扣器（亦可称为分闸线圈）在系统明显降压或停电时将断路器断开，可作为一个遥控装置用来分闸或监视系统一次侧及二次侧的回路电压。欠电压脱扣器控制电源可来自断路器一次侧或独立的电源。断路器闭合需在欠电压脱扣器得电的情况下才能闭合。脱扣器工作状态：在脱扣器电压达到Un的35-70%时，断路器分闸。在脱扣器电压达到Un的85-110%时，断路器合闸。过流脱扣器：过流脱扣器引起的脱扣可在操作机构上指示(机械式)，也可远方指示(使用电气触头)。若断路器需要再次闭合，必须将此按钮复位至正常位置。齿轮式电动机(M)：齿轮式电动机可自动对操作机构的合闸弹簧储能；当断路器合闸动作完毕，齿轮式电动机立即对合闸弹簧储能（合闸弹簧也可以在维护时或无控制电源时手动储能)。3.风电场断路器吸合失败分析及处理某风电场共有33台1.5MWFreqcon风冷机组，2021年1月-2022年6月主断路器损坏5台次（#19、#30、#5、#10、#29），除此之外还有6台机组（#15、#20、#16、#28、#11、#4）频报597（主断路器吸合失败）故障。故障释义为：有prechargefeedback反馈，同时正负母线电压均大于420DCV，延时12s时刻，主控未收到网侧断路器吸合反馈，持续40ms，就地检查发现断路器处于储能未合闸状态（框断本体复位按钮未弹出）。3.1原因分析3.2现场检查测试①现场启机测试框断合闸，发现监控界面有prechargefeedback反馈，正负母线电压均大于420DCV，同时合闸弹簧储能，欠压线圈先得电动作，合闸线圈后得电动作，但框断未吸合，达到延时故障报出，可判断出是因框断未动作导致的故障，故障原因出自框断本体。②断开机组内负载空开，将风电机组箱式变压器低压侧断开，在框断进出母排验电，确保无电压后拆开框断外壳，初步检查判断内部机械结构未发现异常。③手动测试分合闸（弹簧储能状态下），一手将欠压线圈上黑色压块按下并保持，一手按下绿色合闸按钮，绿色按钮按下无反应，断路器不吸合。④判断未内部机械机构卡死导致此问题，于是决定对其进行更换，3人耗时半天，更换后机组恢复。3.3将损坏框架断路器进行拆解a.拆开断路器面板，断路器在储能状态，将欠压线圈与合闸线圈拆下，此时状态（如图4），分闸连杆返回弹簧1、2处于拉伸状态。图4b.此状态下与正常机构状态（图5）进行对比，发现断路器无法吸合原因为分闸连杆连动曲轴位置异常，未回弹到位。图5c.通过寻找发现分闸连杆未恢复到位的原因为：①分闸连杆（如图6）1、3处转轴存在卡涩，2处机械弹簧结构未储能或储能完毕后未到位。图6②分闸连杆（如图7）1、2处弹簧由于长期处于拉伸状态弹簧弹性势能不足，致使分闸连杆无法复归到位，从而分合闸连杆互锁，无法合闸，拆下2处弹簧，发现弹簧已出现塑性变形。

图7（左图）

图8（右图）③弹簧弹性势能分析弹性势能公式为：

其中，k为弹性系数，x为形变量。注意：此公式中的x必须在弹簧的弹性限度内。弹簧的弹性系数：k=F/λ＝Gd4/8D23＝Gd/8C3n其中：F为弹簧所受的载荷；λ为弹簧在受载荷F时所产生的变形；G为弹簧材料的切变模量；（钢为8×104MPa，青铜为4×104MPa）d为弹簧丝直径；D2为弹簧直径；n为弹簧有效圈数；C为弹簧的旋绕比（又称为弹簧指数）。弹簧性能变差有两个方面：承弹力范围之外的变形，会导致失去弹性。这个主要和受力大小有关。随着时间在空气中会慢慢发生氧化，被腐蚀。弹簧的材质特性改变，从而使得弹性能力变弱。这里的工作时间主要影响的就是材质的改变。④综上，此问题的出现原因有：I.机械结构润滑不够，导致连杆卡涩；II.环境温度低，导致弹簧性能变差，弹簧回弹弹力不足，轴承稍有卡涩，就可导致连杆复归不到位。4.预防及治理措施（1）保证机组的润滑。断路器储能弹簧在释能状态下用化油器清洁剂清洁左、右防护板内外侧的三个轴承座（如图9），止动轴承、止动块、勾块（图10）上的除旧润滑脂和脏物，并使用-40℃润滑脂（reaseforEoperatingmech，红色，0.5Kg），对所有运动机构进行充分润滑。图9图10（2）安装自动加热装置。确保断路器工作在可靠的环控温度内，避免机械结