1.背景：

2019年某風場的山頂風機在雷雨天氣后，變槳驅動器損壞及編碼器線纜燒斷，導致一片槳葉無法進行順槳。業主的最低要求為驅動器發生故障時，可進行開環順槳即可，但現場驅動器損壞后無法進行順槳，需要找到原因并進行設計優化。

2.事故現場信息

1）無法順槳風機處于山頂，是風機群中高度最高的一個；

2）三片槳葉中，只有一個槳葉無法變槳，與地面角度為約75°~ 85°左右；

3）風機輪轂內部的變槳驅動器編碼器線纜燒斷，變槳控制柜內部有燒焦味道，起火點參見圖1；

圖1 變槳驅動器組網與起火點示意圖

拆解后發現，PG卡的D點位置處TVS管損壞短路（驅動器單體EMC實驗中，TVS管用于抑制瞬態干擾）、中繼板CD段PCB走線燒毀、24V電源板AB段PCB走線燒毀，參見圖2。

圖2 變槳驅動器起火點

4）變槳電機沒有損壞，更換驅動器后可正常工作；

5）槳葉外觀無損傷，輪轂內部及機艙室內的SPD和其他電氣設備無損壞；

3.驅動器損壞導致無法順槳分析

順槳方式有閉環順槳和開環順槳，當編碼器線纜故障或損壞時，可進行開環動作。但實際驅動器損壞時，無法進行。電源板并行輸出24V電源，一路分支給PG卡供電，另一路給IGBT控制用供電。因電源設計缺陷，當PG卡發生短路時，24V電源被拉低，IGBT驅動電路無法工作，使得開環無法順槳。然而PG卡回路在短路狀態下可以輸出工作，會引起短路起火風險。

4.驅動器損壞原因推測

4.1風電機組遭雷擊受損形式

風電機組遭雷擊受損形式，常見的有四種情況［1］：

1） 設備直接遭受雷擊而損壞；

2） 雷擊脈沖沿著與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵入設備使其受損；

3） 設備接地體在雷擊時產生瞬間高電位形成地電位反擊而損壞；

4） 設備因安裝的方法或安裝位置不當，受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。

4.2 損壞形式分析

驅動器在機艙室，不會遭受直擊雷。下面對另外三種情況進行分析：

◆損壞形式4）：引下線流過雷擊電流時，瞬變的雷電流波形產生強大的磁場，接閃器的引下線設計不當，使得控制器線纜處于了由LPZ1→LPZ0B區域內（LPZ劃分參見圖4）［2］，暴露等級增加，使得控制器與線纜形成的回路感應出大電流，從而使得控制器及線纜燒毀。

圖3 防雷區域劃分

雷電流路徑：槳葉接閃器→變槳電刷→輪轂與發電機間放電氣隙→機艙室與塔柱間放電氣隙→塔柱→大地，參見圖4。

（a）整體雷電流路徑

（b）輪轂內部雷電流路徑

圖4雷電流路徑

◆損壞形式3）：雷電流流過瞬間，接地不良導致產生的地點位波動而形成的強大的壓差使得控制器回路和編碼器線纜燒毀。控制器放在金屬機箱內部，且編碼器線纜及電機線纜均為屏蔽線，且已經360°搭接很好。即使地點位波動，控制柜、控制器線纜、電機等部分也屬于同一電位，所以，接地不良引起的雷電壓差損壞驅動器的因素可以排除。

◆損壞形式2）：雷電流在電刷附近的電機處分流，使得一部分雷電流流經控制器線纜中，從而使得控制器損壞和線纜燒毀。雷電流泄放總是沿著阻抗最小路徑，從現場引下線搭接及阻抗測定，引下線為雷電流主要路徑，所以分流因素也可以排除。

結合事故現場信息，推測事故機由于損壞形式4），導致短路起火及驅動器內部燒毀。

5.推測原因的分析與驗證

5.1遭受雷擊的可能性分析

5.1.1風機雷擊截收面積

采用文獻［2］風機雷擊接收面積計算方法，進行現場時估計的截收面積計算。中風機雷擊有效高度H為風機高度加上當地海拔高度，參見圖5。風場平均海拔高度約為480m左右，風機高度80m，槳葉25m，截收范圍為方圓1755m。

（a）風機高度示意圖

（b）風機雷擊截收面積計算

圖5風機雷擊截收面積

5.1.2事故機雷擊概率分析

現場風機群由24個風機組成，風機布置距離間隔約為200m-600m（風機實物圖參見圖6），參考文獻［3］進行風機布局統計，并結合截收面積計算遭受雷擊的概率。

事故機位于風場最高處，截收雷擊面積最大。所以，與風機群其他風機相比被雷擊的概率最大，約為60%，參見圖7。

圖6 風場布局示意圖

圖7 雷擊截收概率估計

5.1.3 雷擊點分析

無法順槳的槳葉與地面為75°~ 85°左右，再結合上述分析，確定為無法順槳的槳葉被擊中。

5.1.4 遭受雷擊的可能性分析小結

通過事故機的地理位置、截收面積與雷電截收概率、風機槳葉LPZ0A劃分，并結合無法順槳的槳葉位置可以判斷出此槳葉遭受了雷擊；

5.2雷電磁耦合分析

5.2.1雷電磁耦合機理

雷電流流過風電接閃器及引下線產生強大的磁場，這些強磁場通過回路時，就會在回路中產生感應電壓，電壓大小與磁場的變化率和回路面積成正比。設計者必須考慮雷電磁耦合產生感應電壓大小，及確保感應電壓不超過線纜和連接設備的耐受水平［2］。磁耦合產生的感應電壓機理和回路電流計算如下所示。

圖8 雷電磁耦合機理

閉合環路時的電流如下：

5.2.2變槳驅動器回路雷電感應電流估算

槳葉中接閃器的引下線通過變槳電刷→引下線線纜→發電機放電氣隙連接到機艙室，引下線與驅動器線纜并行走線長度約為1m，間距20cm-40cm左右，變槳控制器感應環路布局如圖9所示：

圖9 變槳控制器感應環路布局示意圖

由表1可知80%以上的雷電流等級為20KA［2］。以20KA，di/dt=20KA/us進行評估計算。控制柜線纜環路L≈2uH線纜屏蔽層中感應電流為6KA。

表1地閃雷電參數

實際雷擊過程中雷電流為多波組合，波形寬度為us-ms-s級。當6KA的雷電流脈寬達到s級時，足以燒毀編碼器線纜。

5.2.3屏蔽線與內部芯線的壓差估算

當屏蔽層有瞬變電流時，可以通過轉移阻抗法估算屏蔽層與內部芯線的壓差［2］，參見圖10。屏蔽編碼器線纜的轉移阻抗一般比較小0.5Ω左右，可以估算屏蔽層與內部芯線的壓差Uc=3000V左右。

圖10轉移阻抗測試

感應電壓Uc對變槳驅動器的影響：為了抑制驅動器單體的EMC中EFT、ESD、SUEGE類的干擾，PG卡回路24V供采用了TVS管防護（SMBJ30CA），在雷電感應3000V的電壓下，TVS管會損壞。

5.2.4雷電場感應分析小結

1）流過引下線的雷電流產生的強磁場，感應了控制器線纜屏蔽層接地回路，使得屏蔽層上有6KA以上的感應電流；

2）6KA以上，脈寬達到s級的雷點感應電流，足以燒毀編碼器線纜；

3）編碼器線纜感應的電壓達到3000V左右，使得內部TVS管損壞短路；

5.3實驗驗證分析

5.3.1雷擊實驗

對驅動器與編碼器線纜進行雷擊模擬實驗，實驗配置參見圖11。

圖11 雷擊模擬試驗配置

驅動器與編碼器線纜雷擊模擬實驗流程與結果參見表2。

表2 雷擊實驗

4.3.2短路試驗

變槳控制器短路試驗配置參見圖12。

圖12 變槳控制器短路試驗點

短路實驗結果參見表3。

表3 短路試驗

5.3.3實驗驗證小結

1）120KA以上的8/20us的雷電流，使得編碼器線纜崩斷非燒毀狀態，說明事故現場雷電流為寬脈沖雷電流和雷電損壞形式分析的準確性；

2）短路試驗中，在F點短路（編碼器燒毀點）時，PCB板無燒毀發生，說明編碼器由雷擊感應電流燒斷而非遠端短路導致。

3）短路試驗中，在D點短路時，驅動器24V回路燒毀狀態與雷擊事故相同，說明現場雷電感應導致TVS管損壞短路，從而導致PCB回路燒毀。

5.4總結

1）雷擊點發生在槳葉上，通過槳葉中接閃器的引下線流到大地上，引下線的雷電流使得控制器線纜暴露在LPZ0B區域內，遭受雷電場感應；

2）引下線與驅動器線纜并行且近距離走線，流過引下線的雷電流產生的強磁場，感應了控制器線纜屏蔽層接地回路，使得屏蔽層上有6KA以上的感應電流，脈寬達到s級時，足以燒毀編碼器線纜；

3）屏蔽層與內部芯線間感應電壓達到3000V左右，使得PG卡內部TVS管損壞短路，長時工作下引起起火燒毀；

6 措施分析與落地方案

方案有三種，如下：

變槳接閃器引下線路徑調整，遠離控制線；

變槳控制柜線纜，遠離接閃器引下線；

驅動器的編碼器回路用24V電源獨立供電，或回路增加保險絲；

因無法改變風機引下線和控制柜位置，結合驅動器最優化改動，落地方案為回路增加保險絲，以滿足業主在發生故障時可以開環順槳的最低要求；

7 思考與啟示

接閃器引下線要避免并行近距離靠近電氣設備線纜走線；

電氣設備線纜屏蔽形成的回路要盡量小，避免雷電磁耦合感應電壓破壞防護器件；

驅動器單體防護要與系統應用匹配，特別是器件失效后引起的短路失火等問題；

可通過短路試驗與雷擊實驗等手段輔助分析雷擊事故真因；
責任編輯:pj