关于驱动器损坏导致无法顺桨分析

1.背景：

2019年某风场的山顶风机在雷雨天气后，变桨驱动器损坏及编码器线缆烧断，导致一片桨叶无法进行顺桨。业主的最低要求为驱动器发生故障时，可进行开环顺桨即可，但现场驱动器损坏后无法进行顺桨，需要找到原因并进行设计优化。

2.事故现场信息

1）无法顺桨风机处于山顶，是风机群中高度最高的一个；

2）三片桨叶中，只有一个桨叶无法变桨，与地面角度为约75°~ 85°左右；

3）风机轮毂内部的变桨驱动器编码器线缆烧断，变桨控制柜内部有烧焦味道，起火点参见图1；

图1 变桨驱动器组网与起火点示意图

拆解后发现，PG卡的D点位置处TVS管损坏短路（驱动器单体EMC实验中，TVS管用于抑制瞬态干扰）、中继板CD段PCB走线烧毁、24V电源板AB段PCB走线烧毁，参见图2。

图2 变桨驱动器起火点

4）变桨电机没有损坏，更换驱动器后可正常工作；

5）桨叶外观无损伤，轮毂内部及机舱室内的SPD和其他电气设备无损坏；

3.驱动器损坏导致无法顺桨分析

顺桨方式有闭环顺桨和开环顺桨，当编码器线缆故障或损坏时，可进行开环动作。但实际驱动器损坏时，无法进行。电源板并行输出24V电源，一路分支给PG卡供电，另一路给IGBT控制用供电。因电源设计缺陷，当PG卡发生短路时，24V电源被拉低，IGBT驱动电路无法工作，使得开环无法顺桨。然而PG卡回路在短路状态下可以输出工作，会引起短路起火风险。

4.驱动器损坏原因推测

4.1风电机组遭雷击受损形式

风电机组遭雷击受损形式，常见的有四种情况［1］：

1） 设备直接遭受雷击而损坏；

2） 雷击脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入设备使其受损；

3） 设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位反击而损坏；

4） 设备因安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。

4.2 损坏形式分析

驱动器在机舱室，不会遭受直击雷。下面对另外三种情况进行分析：

◆损坏形式4）：引下线流过雷击电流时，瞬变的雷电流波形产生强大的磁场，接闪器的引下线设计不当，使得控制器线缆处于了由LPZ1→LPZ0B区域内（LPZ划分参见图4）［2］，暴露等级增加，使得控制器与线缆形成的回路感应出大电流，从而使得控制器及线缆烧毁。

图3 防雷区域划分

雷电流路径：桨叶接闪器→变桨电刷→轮毂与发电机间放电气隙→机舱室与塔柱间放电气隙→塔柱→大地，参见图4。

（a）整体雷电流路径

（b）轮毂内部雷电流路径

图4雷电流路径

◆损坏形式3）：雷电流流过瞬间，接地不良导致产生的地点位波动而形成的强大的压差使得控制器回路和编码器线缆烧毁。控制器放在金属机箱内部，且编码器线缆及电机线缆均为屏蔽线，且已经360°搭接很好。即使地点位波动，控制柜、控制器线缆、电机等部分也属于同一电位，所以，接地不良引起的雷电压差损坏驱动器的因素可以排除。

◆损坏形式2）：雷电流在电刷附近的电机处分流，使得一部分雷电流流经控制器线缆中，从而使得控制器损坏和线缆烧毁。雷电流泄放总是沿着阻抗最小路径，从现场引下线搭接及阻抗测定，引下线为雷电流主要路径，所以分流因素也可以排除。

结合事故现场信息，推测事故机由于损坏形式4），导致短路起火及驱动器内部烧毁。

5.推测原因的分析与验证

5.1遭受雷击的可能性分析

5.1.1风机雷击截收面积

采用文献［2］风机雷击接收面积计算方法，进行现场时估计的截收面积计算。中风机雷击有效高度H为风机高度加上当地海拔高度，参见图5。风场平均海拔高度约为480m左右，风机高度80m，桨叶25m，截收范围为方圆1755m。

（a）风机高度示意图

（b）风机雷击截收面积计算

图5风机雷击截收面积

5.1.2事故机雷击概率分析

现场风机群由24个风机组成，风机布置距离间隔约为200m-600m（风机实物图参见图6），参考文献［3］进行风机布局统计，并结合截收面积计算遭受雷击的概率。

事故机位于风场最高处，截收雷击面积最大。所以，与风机群其他风机相比被雷击的概率最大，约为60%，参见图7。

图6 风场布局示意图

图7 雷击截收概率估计

5.1.3 雷击点分析

无法顺桨的桨叶与地面为75°~ 85°左右，再结合上述分析，确定为无法顺桨的桨叶被击中。

5.1.4 遭受雷击的可能性分析小结

通过事故机的地理位置、截收面积与雷电截收概率、风机桨叶LPZ0A划分，并结合无法顺桨的桨叶位置可以判断出此桨叶遭受了雷击；

5.2雷电磁耦合分析

5.2.1雷电磁耦合机理

雷电流流过风电接闪器及引下线产生强大的磁场，这些强磁场通过回路时，就会在回路中产生感应电压，电压大小与磁场的变化率和回路面积成正比。设计者必须考虑雷电磁耦合产生感应电压大小，及确保感应电压不超过线缆和连接设备的耐受水平［2］。磁耦合产生的感应电压机理和回路电流计算如下所示。

图8 雷电磁耦合机理

 

 

 

 

闭合环路时的电流如下：

5.2.2变桨驱动器回路雷电感应电流估算

桨叶中接闪器的引下线通过变桨电刷→引下线线缆→发电机放电气隙连接到机舱室，引下线与驱动器线缆并行走线长度约为1m，间距20cm-40cm左右，变桨控制器感应环路布局如图9所示：

图9 变桨控制器感应环路布局示意图

由表1可知80%以上的雷电流等级为20KA［2］。以20KA，di/dt=20KA/us进行评估计算。控制柜线缆环路L≈2uH线缆屏蔽层中感应电流为6KA。

表1地闪雷电参数

实际雷击过程中雷电流为多波组合，波形宽度为us-ms-s级。当6KA的雷电流脉宽达到s级时，足以烧毁编码器线缆。

5.2.3屏蔽线与内部芯线的压差估算

当屏蔽层有瞬变电流时，可以通过转移阻抗法估算屏蔽层与内部芯线的压差［2］，参见图10。屏蔽编码器线缆的转移阻抗一般比较小0.5Ω左右，可以估算屏蔽层与内部芯线的压差Uc=3000V左右。

图10转移阻抗测试

感应电压Uc对变桨驱动器的影响：为了抑制驱动器单体的EMC中EFT、ESD、SUEGE类的干扰，PG卡回路24V供采用了TVS管防护（SMBJ30CA），在雷电感应3000V的电压下，TVS管会损坏。

5.2.4雷电场感应分析小结

1）流过引下线的雷电流产生的强磁场，感应了控制器线缆屏蔽层接地回路，使得屏蔽层上有6KA以上的感应电流；

2）6KA以上，脉宽达到s级的雷点感应电流，足以烧毁编码器线缆；

3）编码器线缆感应的电压达到3000V左右，使得内部TVS管损坏短路；

5.3实验验证分析

5.3.1雷击实验

对驱动器与编码器线缆进行雷击模拟实验，实验配置参见图11。

图11 雷击模拟试验配置

驱动器与编码器线缆雷击模拟实验流程与结果参见表2。

表2 雷击实验

4.3.2短路试验

变桨控制器短路试验配置参见图12。

图12 变桨控制器短路试验点

短路实验结果参见表3。

表3 短路试验

5.3.3实验验证小结

1）120KA以上的8/20us的雷电流，使得编码器线缆崩断非烧毁状态，说明事故现场雷电流为宽脉冲雷电流和雷电损坏形式分析的准确性；

2）短路试验中，在F点短路（编码器烧毁点）时，PCB板无烧毁发生，说明编码器由雷击感应电流烧断而非远端短路导致。

3）短路试验中，在D点短路时，驱动器24V回路烧毁状态与雷击事故相同，说明现场雷电感应导致TVS管损坏短路，从而导致PCB回路烧毁。

5.4总结

1）雷击点发生在桨叶上，通过桨叶中接闪器的引下线流到大地上，引下线的雷电流使得控制器线缆暴露在LPZ0B区域内，遭受雷电场感应；

2）引下线与驱动器线缆并行且近距离走线，流过引下线的雷电流产生的强磁场，感应了控制器线缆屏蔽层接地回路，使得屏蔽层上有6KA以上的感应电流，脉宽达到s级时，足以烧毁编码器线缆；

3）屏蔽层与内部芯线间感应电压达到3000V左右，使得PG卡内部TVS管损坏短路，长时工作下引起起火烧毁；

6 措施分析与落地方案

方案有三种，如下：

变桨接闪器引下线路径调整，远离控制线；

变桨控制柜线缆，远离接闪器引下线；

驱动器的编码器回路用24V电源独立供电，或回路增加保险丝；

因无法改变风机引下线和控制柜位置，结合驱动器最优化改动，落地方案为回路增加保险丝，以满足业主在发生故障时可以开环顺桨的最低要求；

7 思考与启示

接闪器引下线要避免并行近距离靠近电气设备线缆走线；

电气设备线缆屏蔽形成的回路要尽量小，避免雷电磁耦合感应电压破坏防护器件；

驱动器单体防护要与系统应用匹配，特别是器件失效后引起的短路失火等问题；

可通过短路试验与雷击实验等手段辅助分析雷击事故真因；
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