某风电场16号风机叶片损坏分析

摘要：本文对某风电场16号机组风叶破损情况进行了深入的成因探究，并依据叶片断裂的具体因素，提炼出此次风叶断裂事件的启示，旨在为今后类似或相同风机部件的维修工作提供借鉴和指导。

关键词：风机叶片；损坏分析；防范措施

引言

风力发电设备涉及叶轮、动力传递装置、发电 machinery、变速箱、变频器以及电子操控系统、塔柱等多个部分。在此之中，叶轮作为转换风能至机械能进而变为电能的关键构件，其性能直接决定了发电机的效率和发电能力。叶轮体积庞大，形状复杂，加工精度需极高，表面处理要求光滑，材料需要同时具备出色的强度和刚性，生产制造标准非常严格。因此，不断提升叶轮技术并实现智能化维护，是保障风力发电持续进步的关键。在新的发展背景下，减轻叶轮重量、减少负载、降低噪音、实现叶轮的大型化和轻量化以及智能化，已成为风电叶轮发展的主要趋势。

一、事件经过

（一）事件发生前运行工况

某风场16号风机于2021年3月投运，为GW140/2500型金风直驱型风电机组，单机容量2500kW，叶轮直径为140m，轮毂高度为90m，额定转速11.8rpm；叶片为上海艾朗AEOLONG W68.6D型叶片，叶片长度68.65米，2020年11月27日生产，损伤叶片编号为：AL-GW68.6D-200820-071-M1。发电机为中车永济电机有限公司GW2.XMW-TFY型永磁同步风力发电机，变流器为深圳市禾望电气股份有限公司HWFPM069-2500型风电全功率变流器，安装南京牧镭激光科技有限公司MolasCL型激光净空监测雷达系统。

2024年2月14日20时，天气阴，风速8.3m/s-24.9m/s之间波动，功率在2334kW-2562kW之间波动，风机运行正常。

（二）事件发生处理过程

2024年2月14日20时02分风机报“61发电机过速2”、“60发电机过速1”、“88变流器安全链触发”、“92安全链过速”故障停机。

2024年2月15日09时运维人员登塔检查发现叶片接闪器脱落，叶尖存在开裂情况，塔筒外壁上有发生碰撞痕迹。查看风机运行数据，塔架激光净空监测无告警故障信息。

立即检查叶片损伤情况，汇报生产管理与环境保护部及相关领导到场开展勘察、修复工作，叶片开裂长度约为1.8米，现场发现叶片破损碎片及颗粒。

维护人员到场检查后，根据现场情况制定修复方案，克服低温冰冻天气，立即开展修复工作，于2024年2月28日完成叶片修复，29日叶片漆面固化后，机组恢复运行。

二、原因分析

（一）16号风机数据分析

16号风机故障时刻前1秒风速出现突增，3秒内风速从8.79m/s突增至26.26m/s。

6号风机风向在故障前6.6秒出现突变，6秒内风向从149.1deg突变至193.1deg。

16号风机故障前3.5秒开始，转速从11.73rpm突增至14.62rpm，转速超过转速保护定值（过速1定值为13.216rpm，过速2定值为13.57rpm），超速保护正确动作。

16号风机在故障前时刻振动有效值为0.076g，故障时刻振动增加，最高为0.121g，均未达到机舱加速度超限定值0.135g，因此振动保护未动作。

16号风机故障前风速突增，风机转速从11.73rpm突增至14.62rpm，转速超过超速保护定值，超速保护正确动作，故障触发风机停机；故障前后振动未超过限值，保护未动作。

（二）故障前偏航位置和变桨参数分析

16号风机在故障前2秒，偏航位置从176.1deg变化至173.5deg，而检查记录无偏航动作指令；分析全场当天偏航位置变化，未发现同类情况。

16号风机1号桨叶变桨电机电流在故障前1秒，电流从31A升至53A，轴2、轴3变桨电机电流在同期未明显变化。

16号风机1号桨叶超级电容电压在故障前1秒，电压从99.66V降低至96.3V，轴2、轴3超级电容电压在同期未明显变化。

分析在故障前1秒，16号风机1号叶片叶尖扫在塔筒上，由于叶片在旋转中与塔筒进行了擦碰，因此塔筒对叶片的作用力经过传递，造成机舱位置出现了小幅变化；同时由于塔筒与叶片的擦碰，引起叶片扭矩变化，因此变桨电机电流出现了变化，并引起了变桨超级电容电压的降低。

（三）主控故障数据中的净空数据分析

塔架激光净空监测系统（以下简称“激光净空”）的光束以固定角度打向塔架前方，叶片未扫过塔架正面时激光束打在地面上（地面测距值），叶片扫过塔架正面时部分或全部激光束被叶片反射（叶片测距值），根据每根光束打到叶片时的叶片测距值通过三角函数法计算出叶片到塔筒的净空值，取最小值作为最终净空值。机组主控制系统根据实时净空值判断净空风险的严重程度，以最少的发电量损失、最可靠的安全控制为目标，通过执行分级保护控制策略实现机组对净空风险的主动穿越，保障机组安全运行。

对16号机组2024年故障文件中净空设备测量数值统计获得，如图2所示。

根据《金风塔架激光净空监测系统维护及故障处理指导手册》建议，激光净空受制于环境因素影响，在大雨、雾、雪天气条件下因超出环境适应性边界而不能正常进行测距，受影响的光束此时输出无效测距值655.35；当机组真实净空较大，超出测量范围后，净空值显示100 m；当机组净空设备或数据出现异常时，净空值显示99.X或98.Xm。

16号风机净空设备共有3束激光设备测量值，在故障前1秒，光束1为58.61m，光束2为50.06m，光束3为655.35m，其中光束3为无效值。从2月14日两次记录，光束3均为655.35m，为无效值，说明光束3在本次故障之前已经出现了问题，并由此导致净空设备输出的净空距离一直为99.9m，导致故障时刻净空设备没有起到作用的原因。

三、防范措施

针对风机叶片损坏问题，拟定以下预防策略。

首先，在风机运行过程中，提升对风机参数的监控和现场巡检力度，一旦发现异常情况立即进行剖析并妥善解决。

其次，对风机叶片的材料选择和制造技术进行优化，例如改用航空锻造铝合金工艺生产叶片，或者使用钢材制造叶片。

再次，利用机组维护时机对叶片进行专项检测，周期性地对叶片及其连接部分实施无损检测，对查出的缺陷及时进行修补或替换叶片。在风机的维护检查中，重点开展以下工作：清除叶片上的积灰并进行完整性检查；清理叶片根部与轮毂接合面的杂物；检查叶片的开关传动系统；以及对叶片传动机构的全面检查。

另外，确保备用叶片的及时供应，以便在风机叶片出现问题时能够迅速进行维修，防止风机长时间单侧运行带来的负荷和安全风险。

最终，当风机转子和叶片损坏严重时，将其送回制造厂进行彻底检修，更换全部风机叶片、叶柄轴、轴承、螺栓及密封部件，并执行风机的动平衡测试。

结束语

风机叶片在长期运行中面临严峻的工作环境，持续的应力影响下容易导致疲劳损伤，必须对出现显著磨损或存在瑕疵的叶片及时进行修复或更新，以防止小问题演变成大故障。风机叶作为风力发电机组的核心部件，其状况直接影响着整个设备的性能表现。周期性的以及不定期的监测叶片状况，及时识别并处理潜在的缺陷和风险，把叶片可能出现的故障遏制在初始阶段，这对于预防事故发生、降低意外风险、保障风电企业收益的稳定性至关重要。

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