摘要：本文基于风电场多发的塔底轴流风扇批量性损坏进行分析，对风机工作原理、现场环境以及特殊气候条件下风机工作状态进行深入的剖析，通过调整伺服变频器参数以及在风扇出口加装导风罩等措施有效杜绝该类故障频繁发生。
关键词：轴流风机 ，过载，导风罩，主风向
1 前言
GW66/1500型风电机组塔底安装有主控柜、变流柜、电抗器等大功率发热设备，而托克逊风电场夏季环境温度最高可达45℃，如果不能有效将塔底温度控制在电子元器件的正常工作范围内，势必将对该部分电子元器件造成致命损害。塔底轴流风机便承担着这一重任，它能有效地将塔底的热量传送到塔筒外，以降低电子元器件工作温度，保证器件正常工作。
但在一些特殊原因下，轴流风扇呈现出批量性损坏的现象。本文根据托克逊风电场特殊地理环境及气候条件下轴流风机批量性损坏的状况，进行多方位分析，对风机工作原理、现场环境以及特殊气候条件下风机工作状态进行深入的研究，通过调整伺服变频器参数以及在风扇出口加装导风罩等措施，有效杜绝该类故障的频繁发生。
2 问题的提出
温度作为电子元器件正常工作的一个非常重要的衡量指标，它的偏离将会使在运的电子元器件遭受致命的损害。风电场大多建在一些地理、气候条件非常恶劣的地区，这就要求风电机组设备本身具有高可靠性的散热设备，散热设备的可靠性直接影响着整机运行的可靠性。而一些风电场因工程建设或设备自身设计等原因出现塔底轴流风扇批量性故障的现象时有发生，对发电量和设备利用率造成不可估量的损失。为此，本文针对托克逊风电场轴流风扇批量性故障的问题，进行深入研究，提出可行性方案以希杜绝此类问题的再次发生。
3 现场状况及原因分析
2014年 4月23日至5月底，托克逊风电场断续出现40-50m/s的大风。大风过后共发现13台轴流风扇ABB变频器ACS510报F0001 OVER CURRENT故障，13台轴流风扇均有不同程度的问题存在。
3.1 具体检查情况如下：
3.1.1 风电机组主动报故障4台，现场排查出9台。它们分别是泰安深工11台，系统风（进口）2台。
3.1.2 部分风扇电机自带散热器因过热熔坏；塔筒及轴流风机筒内存在砂石；测量风扇电机，相-相间、相-接间绝缘阻值偏小，部分为零。
3.1.3 电机的保护由ABB变频器提供单一过流保护，而电机本身的PTC过热保护未启用。
3.1.4该风电场风向主要是西北风，而轴流风机出风方向是正西或西稍偏北，二者夹角在50度至70度。轴流风机出风方向越接近西北设备故障率越高，损坏程度也越严重。
3.2 原因分析
3.2.1 现场环境
3.2.1.1 塔筒及轴流风机筒内聚集沙粒，说明轴流风机的出风方向与主风向碰撞严重，在风机停止运转或环境风速大于轴流风机风速的情况下将砂石吹入产生的。
3.2.1.2 假设风扇出风口正对环境风向，若要使环境风速与风扇叶片运转所产生的作用力在风扇叶片表面正好抵消，使轴流风机堵转，经实验轴流风扇电机所需功率与环境风速的关系如下：
环境风速（m/s）： 50 40 27 23
所需功率（kW）： 13.4 11 7.5 6.4
由以上计算结果可知，轴流风机（现场用电机功率4Kw)根本无法克服大级别的环境风速，所以必须考虑轴流风机出风口与主风向的位置关系。
3.2.1.3 风电机组在10min平均风速超过25m/s或瞬时风速超过27m/s时，将自动切出停机待风，塔底轴流风机却依然在工作散热，也就是说在时间上存在延迟，符合风电机组的控制原理。但在大级别风速时，塔底轴流风机依然在运转，其产生的风力不足以克服或微克服外界风阻力的情况下，致使电机散热效率降低甚至无法散热（特别是在低频运转时），风扇电机长期处于过负荷运转状态造成温升超高，破坏电机绝缘漆，导致电机烧坏。
3.2.2 轴流风机运行特性
从右得知：轴流风机在运行过程中存在两个运行状态，分别是稳定区（K点右方）和非稳定区（K点左方红圈处）。非稳定区是在轴流风机风量减小到一定程度或遇到较大阻力时产生的一种运行特性。
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若轴流风机在非稳定区内运行，其叶片应力将大大增加，加之外界阻力（环境风力）作用在三个叶片的阻力呈无序性、非均匀性，使得电机运转产生非周期性的振荡，这种振荡对叶轮的焊缝、连接铆钉带来很大的冲击，同时使主轴与轴承、轴承与轴承座的轴向力大大增加，直接危害叶轮、主轴、轴承、轴承座和安装基座。若不立即停机将有酿成整机报废，破坏基座的风险。
结合轴流风机的运行特性及托克逊风场的环境特点可知，在大风期间全场33台轴流风机极有可能都在非稳定区内运行，因此大风过后才出现批量性的故障。
以此判断，目前正常运行的轴流风机后续极有可能会出现问题，原因在于大风期间轴流风机受环境风力影响大小不同，使得轴流风机在非稳定区内运行的状态也存在相应的差异，其产生的具有差异性的非周期性振荡对相应设备的冲击程度也不同，这就使得各轴流风机个体故障的发生时间和损坏程度也不同。因此，虽然目前有一部分轴流风机各项性能指标均无异常，但不能排除冲击会随着运行时间增加而加剧以致设备损坏的可能性。 2014年后续几个月仍有部分轴流风机陆续出现故障，这应该是此原因引起的故障延续和扩大。
3.2.3 变频器保护未起作用分析
风扇电机铭牌参数，额定转速：2875r/min；额定功率：4kw；额定电流：7.89A。
变频器参数设置，额定转速：1400r/min；额定功率：4kw；额定电流：9.5A。
图纸《TC3.214.033DL》要求的塔底轴流风扇电机参数与变频器参数一致，但对比可以发现与电机参数不匹配。
变频器参数应按照电机参数进行配置，因此变频器过流保护功能未起作用为参数设置错误造成。
结合上述分析，轴流风扇逆风运行是造成电机过流的直接原因，同时由于变频器参数额定电流设置过大，变频器过流保护未起作用。
4 临时处理方法
4.1 及时更换损坏的轴流风机并更改33台轴流风机变频器额定电流、额定转速参数使之与电机匹配，避免故障扩大到上级控制单元（ABB传动变频器）。
4.2 加强轴流风机的巡视，及时清理轴流风机风道内的杂物。
4.3 增加现场存放的轴流风机备件，以免发生故障时因备件不足影响风电机组发电。
5 建议措施
5.1建议在后续的设备技改或前期设计要求时考虑以下几点：
5.1.1 在轴流风机出口处增加弯头导风罩（如右图），避免风扇电机逆风运行造成电机负载过大。
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5.1.2 启用轴流风扇电机PTC过热保护。
5.1.3 在项目设计中充分考虑主风向与轴流风机出口夹角取值，轴流风机出口应尽量设置在主风向不会对风扇增加负荷的位置，避免风扇电机逆风运行造成电机负载过大。
5.2 现场采取的方法为在轴流风机出口处增加弯头导风罩。从效果上来看还是很明显的，加装导风罩的风机出现故障的几率大大减小，2015年仅出现一例。
作者简介：
李志刚，男性，汉族，出生于1984年11月10日，就职于中广核新能源新疆分公司，技术安全专工。
徐小刚，男性，汉族，出生于1985年12月03日，就职于中广核新能源新疆分公司，检修经理。
论文作者:李志刚,徐小刚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/3
标签：轴流论文; 风机论文; 风扇论文; 电机论文; 变频器论文; 风速论文; 环境论文; 《电力设备》2019年第20期论文;