關(guān)于驅(qū)動(dòng)器損壞導(dǎo)致無法順槳分析

1.背景：

2019年某風(fēng)場的山頂風(fēng)機(jī)在雷雨天氣后，變槳驅(qū)動(dòng)器損壞及編碼器線纜燒斷，導(dǎo)致一片槳葉無法進(jìn)行順槳。業(yè)主的最低要求為驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，可進(jìn)行開環(huán)順槳即可，但現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)器損壞后無法進(jìn)行順槳，需要找到原因并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.事故現(xiàn)場信息

1）無法順槳風(fēng)機(jī)處于山頂，是風(fēng)機(jī)群中高度最高的一個(gè)；

2）三片槳葉中，只有一個(gè)槳葉無法變槳，與地面角度為約75°~ 85°左右；

3）風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)部的變槳驅(qū)動(dòng)器編碼器線纜燒斷，變槳控制柜內(nèi)部有燒焦味道，起火點(diǎn)參見圖1；

圖1 變槳驅(qū)動(dòng)器組網(wǎng)與起火點(diǎn)示意圖

拆解后發(fā)現(xiàn)，PG卡的D點(diǎn)位置處TVS管損壞短路（驅(qū)動(dòng)器單體EMC實(shí)驗(yàn)中，TVS管用于抑制瞬態(tài)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(qū)動(dòng)器起火點(diǎn)

4）變槳電機(jī)沒有損壞，更換驅(qū)動(dòng)器后可正常工作；

5）槳葉外觀無損傷，輪轂內(nèi)部及機(jī)艙室內(nèi)的SPD和其他電氣設(shè)備無損壞；

3.驅(qū)動(dòng)器損壞導(dǎo)致無法順槳分析

順槳方式有閉環(huán)順槳和開環(huán)順槳，當(dāng)編碼器線纜故障或損壞時(shí)，可進(jìn)行開環(huán)動(dòng)作。但實(shí)際驅(qū)動(dòng)器損壞時(shí)，無法進(jìn)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(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)PG卡發(fā)生短路時(shí)，24V電源被拉低，IGBT驅(qū)動(dòng)電路無法工作，使得開環(huán)無法順槳。然而PG卡回路在短路狀態(tài)下可以輸出工作，會引起短路起火風(fēng)險(xiǎn)。

4.驅(qū)動(dòng)器損壞原因推測

4.1風(fēng)電機(jī)組遭雷擊受損形式

風(fēng)電機(jī)組遭雷擊受損形式，常見的有四種情況［1］：

1） 設(shè)備直接遭受雷擊而損壞；

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

3） 設(shè)備接地體在雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位反擊而損壞；

4） 設(shè)備因安裝的方法或安裝位置不當(dāng)，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(qū)動(dòng)器在機(jī)艙室，不會遭受直擊雷。下面對另外三種情況進(jìn)行分析：

◆損壞形式4）：引下線流過雷擊電流時(shí)，瞬變的雷電流波形產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，接閃器的引下線設(shè)計(jì)不當(dāng)，使得控制器線纜處于了由LPZ1→LPZ0B區(qū)域內(nèi)（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(yīng)出大電流，從而使得控制器及線纜燒毀。

圖3 防雷區(qū)域劃分

雷電流路徑：槳葉接閃器→變槳電刷→輪轂與發(fā)電機(jī)間放電氣隙→機(jī)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(nèi)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(dǎo)致產(chǎn)生的地點(diǎn)位波動(dòng)而形成的強(qiáng)大的壓差使得控制器回路和編碼器線纜燒毀?？刂破鞣旁诮饘贆C(jī)箱內(nèi)部，且編碼器線纜及電機(jī)線纜均為屏蔽線，且已經(jīng)360°搭接很好。即使地點(diǎn)位波動(dòng)，控制柜、控制器線纜、電機(jī)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(qū)動(dòng)器的因素可以排除。

◆損壞形式2）：雷電流在電刷附近的電機(jī)處分流，使得一部分雷電流流經(jīng)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(xiàn)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(jié)合事故現(xiàn)場信息，推測事故機(jī)由于損壞形式4），導(dǎo)致短路起火及驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部燒毀。

5.推測原因的分析與驗(yàn)證

5.1遭受雷擊的可能性分析

5.1.1風(fēng)機(jī)雷擊截收面積

采用文獻(xiàn)［2］風(fēng)機(jī)雷擊接收面積計(jì)算方法，進(jìn)行現(xiàn)場時(shí)估計(jì)的截收面積計(jì)算。中風(fēng)機(jī)雷擊有效高度H為風(fēng)機(jī)高度加上當(dāng)?shù)睾０胃叨龋瑓⒁妶D5。風(fēng)場平均海拔高度約為480m左右，風(fēng)機(jī)高度80m，槳葉25m，截收范圍為方圓1755m。

（a）風(fēng)機(jī)高度示意圖

（b）風(fēng)機(jī)雷擊截收面積計(jì)算

圖5風(fēng)機(jī)雷擊截收面積

5.1.2事故機(jī)雷擊概率分析

現(xiàn)場風(fēng)機(jī)群由24個(gè)風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)機(jī)布置距離間隔約為200m-600m（風(fēng)機(jī)實(shí)物圖參見圖6），參考文獻(xiàn)［3］進(jìn)行風(fēng)機(jī)布局統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合截收面積計(jì)算遭受雷擊的概率。

事故機(jī)位于風(fēng)場最高處，截收雷擊面積最大。所以，與風(fēng)機(jī)群其他風(fēng)機(jī)相比被雷擊的概率最大，約為60%，參見圖7。

圖6 風(fēng)場布局示意圖

圖7 雷擊截收概率估計(jì)

5.1.3 雷擊點(diǎn)分析

無法順槳的槳葉與地面為75°~ 85°左右，再結(jié)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(jié)

通過事故機(jī)的地理位置、截收面積與雷電截收概率、風(fēng)機(jī)槳葉LPZ0A劃分，并結(jié)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(jī)理

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

圖8 雷電磁耦合機(jī)理

閉合環(huán)路時(shí)的電流如下：

5.2.2變槳驅(qū)動(dòng)器回路雷電感應(yīng)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(fā)電機(jī)放電氣隙連接到機(jī)艙室，引下線與驅(qū)動(dòng)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(yīng)環(huán)路布局如圖9所示：

圖9 變槳控制器感應(yīng)環(huán)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(jìn)行評估計(jì)算。控制柜線纜環(huán)路L≈2uH線纜屏蔽層中感應(yīng)電流為6KA。

表1地閃雷電參數(shù)

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

5.2.3屏蔽線與內(nèi)部芯線的壓差估算

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

圖10轉(zhuǎn)移阻抗測試

感應(yīng)電壓Uc對變槳驅(qū)動(dòng)器的影響：為了抑制驅(qū)動(dòng)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(hù)（SMBJ30CA），在雷電感應(yīng)3000V的電壓下，TVS管會損壞。

5.2.4雷電場感應(yīng)分析小結(jié)

1）流過引下線的雷電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，感應(yīng)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(yīng)電流；

2）6KA以上，脈寬達(dá)到s級的雷點(diǎn)感應(yīng)電流，足以燒毀編碼器線纜；

3）編碼器線纜感應(yīng)的電壓達(dá)到3000V左右，使得內(nèi)部TVS管損壞短路；

5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

5.3.1雷擊實(shí)驗(yàn)

對驅(qū)動(dòng)器與編碼器線纜進(jìn)行雷擊模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)配置參見圖11。

圖11 雷擊模擬試驗(yàn)配置

驅(qū)動(dòng)器與編碼器線纜雷擊模擬實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果參見表2。

表2 雷擊實(shí)驗(yàn)

4.3.2短路試驗(yàn)

變槳控制器短路試驗(yàn)配置參見圖12。

圖12 變槳控制器短路試驗(yàn)點(diǎn)

短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見表3。

表3 短路試驗(yàn)

5.3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小結(jié)

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(tài)，說明事故現(xiàn)場雷電流為寬脈沖雷電流和雷電損壞形式分析的準(zhǔn)確性；

2）短路試驗(yàn)中，在F點(diǎn)短路（編碼器燒毀點(diǎn)）時(shí)，PCB板無燒毀發(fā)生，說明編碼器由雷擊感應(yīng)電流燒斷而非遠(yuǎn)端短路導(dǎo)致。

3）短路試驗(yàn)中，在D點(diǎn)短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)器24V回路燒毀狀態(tài)與雷擊事故相同，說明現(xiàn)場雷電感應(yīng)導(dǎo)致TVS管損壞短路，從而導(dǎo)致PCB回路燒毀。

5.4總結(jié)

1）雷擊點(diǎn)發(fā)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(qū)域內(nèi)，遭受雷電場感應(yīng)；

2）引下線與驅(qū)動(dòng)器線纜并行且近距離走線，流過引下線的雷電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，感應(yīng)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(yīng)電流，脈寬達(dá)到s級時(shí)，足以燒毀編碼器線纜；

3）屏蔽層與內(nèi)部芯線間感應(yīng)電壓達(dá)到3000V左右，使得PG卡內(nèi)部TVS管損壞短路，長時(shí)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(diào)整，遠(yuǎn)離控制線；

變槳控制柜線纜，遠(yuǎn)離接閃器引下線；

驅(qū)動(dòng)器的編碼器回路用24V電源獨(dú)立供電，或回路增加保險(xiǎn)絲；

因無法改變風(fēng)機(jī)引下線和控制柜位置，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器最優(yōu)化改動(dòng)，落地方案為回路增加保險(xiǎn)絲，以滿足業(yè)主在發(fā)生故障時(shí)可以開環(huán)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(shè)備線纜走線；

電氣設(shè)備線纜屏蔽形成的回路要盡量小，避免雷電磁耦合感應(yīng)電壓破壞防護(hù)器件；

驅(qū)動(dòng)器單體防護(hù)要與系統(tǒng)應(yīng)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(yàn)與雷擊實(shí)驗(yàn)等手段輔助分析雷擊事故真因；
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