順益導讀

據英國風能機構不完全統計，每年至少有超過117 起風電機組著火事故發生。本文介紹某風電場“發電機超速”停機，其后觸發了“發電機軸承1 溫度偏高”等多個故障，經事故勘測后，根本原因是潤滑油脂填充量不當，發電機前軸承油脂過多。下面跟著小編一探究竟：

文| 王明軍，高原生，梅國剛，邵勤，豐吳飆

(作者單位：王明軍、高原生、梅國剛：東方汽輪機有限公司風電事業部；邵勤豐：東方電氣自控研發中心；吳飆：西安市坤伯工程技術開發有限責任公司)

據英國風能機構不完全統計，截至2009 年12 月31 日，全球共發生風電機組重大事故715 起，其中火災事故138 起，占總數的19.3 ％，位列第二位。2010 年歐美等國新增火災事故7 起，其中2 起火災對作業工人造成了嚴重燒傷。因此，火災已成為繼雷擊后第二大毀滅性風電機組災害。2006年中國臺灣燒毀了2 臺2 MW 的風電機組。在近期的《火災科學》雜志上，來自倫敦帝國理工學院、愛丁堡大學和瑞典SP 技術研究院的幾位研究人員聯合發表了他們的研究成果。在對全球20 萬臺風電機組進行了評估之后，這個研究小組認為，風電機組的火災發生率比業內普遍認為的幾率高出10 倍。當前，公開報道的全球風電機組火災發生率平均為每年11.7 起，而研究人員認為，每年至少有超過117 起風電機組著火事故發生。

風電機組火災事故中國有，國外也有。如果對眾多機組起火和燒毀事故認真分析，找出事故真實原因，采取有效預防措施，相信絕大部分的機組火災事故是可以預防和避免的。然而，在降低和避免重大事故發生的同時，我們不僅要講求科學，還需要綜合考慮成本，以利于度電成本的降低。

事故簡介

某風電場在后臺軟件上發現一臺機組報“發電機超速”停機，其后觸發了“發電機軸承1 溫度偏高”、“發電機軸承1 溫度過高”等多個故障。事故后發現聯軸器及聯軸器罩殼完全燒毀。該機組在更換發電機、聯軸器、聯軸器罩殼、燒毀的部分線路和傳感器后，順利并網發電。該事故機組因燃燒部位較少，沒有危及主控和數據的采集、處理，且機組斷電較晚，事后得到的主控數據較為完備，現場保持完好風力發電機著火，這給本次事故分析帶來了極大的方便。

事故勘測

一、現場查看與分析

在拆解事故機組發電機前軸承時，發現軸承保持架完全破損。從事故部位實物觀察，發電機軸與前軸承內圈之間已經發生了劇烈的相對運動，且磨損相當嚴重，發電機軸和軸承內圈的部分材料已經融化（見圖1）；發電機軸承前端蓋、后端蓋、軸承滾動體、軸承滾道以及軸承內部的所有油脂干澀、發黑（見圖2）；力矩限制器發生了相對位移（見圖4）；聯軸器及聯軸器罩殼被碳化燒黑，形狀保持較為完好。

聯軸器與發電機側的連接螺栓、螺帽和鎖緊螺栓均有明顯淬火跡象；發電機側的聯軸器連接螺栓拆卸困難，不少鎖緊螺栓在拆卸時發生斷裂。而聯軸器與齒輪箱側的連接端，連接螺栓拆卸正常，與正常的連接螺栓拆卸沒有太大的區別。

聯軸器罩殼的上半靠發電機端燒毀嚴重，聯軸器罩殼上半有部分已變成白色灰燼。整個機艙內布滿煙塵。在發電機前軸承前端的正上面，機艙保溫層燒毀，周圍被燒成黑色。

發電機前軸承前端蓋以上的發電機大端蓋面上被煙熏成一個較大的V 形黑色印跡（見圖9），在發電機前軸承上端的發電機冷卻風扇有被明火嚴重燒過的跡象（見圖9）。

因此，綜合以上的諸多現象分析，事發時發電機前軸承端有長時間明火出現，火源應來自發電機前軸承端。

二、機組報故障停機及發動機前軸承溫度

從事故回放記錄來看，在15:13:13 （時間：時分秒；下文亦同）機組發電機轉速為1733.8rpm 。軸承卡死后，因偶然因數，傳感器瞬時故障導致測速錯誤，在15:13:14轉速高速軸速度為3713.6rpm ，按照低速軸轉速18.2rpm計算，實際轉速應為1725rpm 。15:13:15 觸發“發電機超速”軟件停機（見表1），高速軸速度為899.7rpm ，發電機端的高速軸測速恢復正常。因此，在15:13:28 “發電機超速”自動復位。

如表1 所示，15:13:25 機組觸發“發電機軸承1 溫度偏高”（參數設置值為100℃），在事故回放記錄中，此時的溫度為104.1 ℃。發電機軸承的測溫點在軸承外圈，當發電機軸承1 抱死后，軸承內部的熱量不斷向外傳遞，在停機后，隨著時間的推移，發電機軸承1 的溫度繼續上升（見圖2）。20 秒之后，15:13:45 觸發“發電機軸承1 溫度過高”（設置值為110℃），回放記錄的溫度值為111.4 ℃。

從事故回放記錄來看，該機組在15:12:52 以前，一直處于滿負荷發電狀態吊車出租，發電機前軸承等各個部位的狀態值未見明顯異常，并且，事故機組的發電機軸承1 在一個小時以前，即14:00:02 的溫度65.1 ℃（見表1），與其他正常機組相比基本沒有區別，15:00:05 溫度是81.7 ℃，在事故前15:12:52 溫度是81.3 ℃，這兩個溫度值，與同時刻該風電場其他正常機組相比發電機前軸承溫度值約偏高10 ℃左右，但是，在15:12:52 之后，發電機軸承1 的溫升出現了迅速上升的趨勢，停機后溫度上升速度更快。

三、事故前后機組相關狀態參數之間的比較

在15:13:15 機組報“發電機超速”停機，從故障的回放機組看，15:13:28 機組的三支槳葉均收到90 ，機組正常停機。

表2 是事故機組的當天14 、15 、16 、17 時的記錄數據，以及在事發時15:13:14 和15:13:15 的記錄數據，沒有記錄有事故機組16 、17 時的發電機軸承1 溫度和風速數據，其值均為0，可能是因為傳感器燒壞，或接線燒斷所致。

從表2 可以看出，在16:00:02 秒，即機組停機47min 之后，機艙內溫度、齒輪箱軸承2 的溫度、齒輪箱進口油溫這3 個溫度不僅沒有降低反而上升；而齒輪油溫度、齒輪箱軸承1 溫度、發電機軸承2 溫度、發電機定子溫度都隨著停機時間的增加溫度不斷降低，這與正常停機的實際情況吻合。表2中數據與表1 中的狀態記錄相互應證，說明在停機很長時間以后，機艙內仍有火源存在。

四、油脂氣化與軸承發熱的能量來源

15:13:10 之前，機組一直處于滿發負荷發電狀態，功率基本穩定在1.53MW 左右，在15:13:10 機組功率1537kW ；15:13:11 機組功率1495kW ；15:13:12 機組功率1449kW ；15:13:13 機組功率1376kW ；15:13:14 機組功率915kW ；機組高速軸轉速與低速軸轉速匹配，不存在聯軸器打滑現象，例如在15:13:13 機組的實際發電機轉速1733.8rpm ，低速軸轉速18.3rpm ，依據齒輪箱速比計算率1449kW ；15:13:13 機組功率1376kW ；15:13:14 機組功率915kW ；機組高速軸轉速與低速軸轉速匹配，不存在聯軸器打滑現象，例如在15:13:13 機組的實際發電機轉速1733.8rpm ，低速軸轉速18.3rpm ，依據齒輪箱速比計算的高速軸轉速1733rpm 。按照當時風速和機組特性，機組在脫網之前的15:13:11 到15:13:14 ，本應在1.53MW 左右發電，機組被不斷拉低的發電功率主要消耗在了軸承發熱上，從而使軸承和發電機轉子溫度不斷上升。

如圖3 所示為正常機組的聯軸器的力矩限制器線和聯軸器螺栓、螺帽和鎖緊螺栓的相對位置狀況。

15:13:15 機組執行發電機超速甩負荷停機，電功率為0kW ，此時機組本應出現一個較高的飛升轉速，實際的低速軸轉速19.1rpm （高速軸轉速應為1818rpm），這與停機前的轉速相差不大，沒有明顯的甩負荷飛升轉速。一般在這種情況下風力發電機著火，機組甩負荷停機，此時的高速軸飛升轉速要達到2000rpm 以上，這就是說，因風電機組軸承卡死，轉速上升受阻，從而造成機組的高速軸轉速比正常情況低200rpm 左右，而實際的高速軸轉速（發電機轉速）則僅為899.7rpm 。

再查看機組在執行停機命令期間的高速軸與低速軸轉速，15:13:15 到15:13:28 通過低速軸轉速計算出的高速軸轉速與主控顯示值比較，顯示值明顯偏低。

例如，15:13:16 低速軸轉速18.7rpm ，計算出的高速軸轉速應1771rpm ，實際值為882.5rpm ；15:13:17 低速軸轉速16.8rpm ，高速軸轉速應1591rpm ，實際值778.3rpm ；15:13:28 低速軸轉速2.8rpm ，高速軸轉速應265rpm ，實際值154.4rpm 。從諸多數據證實，脫網后發電機端的阻力超過了聯軸器的力矩限制器扭矩，聯軸器發生了打滑現象。再從實物解剖也得到證實，力矩限制器有劇烈的摩擦和發熱。如圖4 所示，事故機組的力矩限制器線兩邊不一致。因此，在脫網后的這一段時間內，在聯軸器上驅動發電機的扭矩超過了力矩限制器的力矩（約為2 倍左右的滿負荷扭矩）。

由公式P=N×ω可知，發電機軸承因摩擦產生熱量的功率= 力矩限制器扭矩× 發電機實際轉速。而這部分功率和部分機組甩負荷的儲能消耗在了發電機軸承1 的摩擦發熱上，致使發電機前軸承和發電機軸前端的溫度迅速上升。同時，因聯軸器打滑，巨大扭矩使聯軸器在打滑處也產生很高的熱量。聯軸器打滑產生熱量的功率=力矩限制器扭矩×（低速軸換算出的發動機轉速－實際發電機轉速），聯軸器力矩限制器處溫升迅速，并迅速傳熱，因此，拆卸時多個鎖緊螺栓發生斷裂，如圖5 所示。在事故機組聯軸器上靠發電機的連接螺栓、螺帽、鎖緊螺栓有淬火現象，如圖5、圖6 所示。同時，因在聯軸器的力矩限制器處的溫度很高，還可點燃易燃物品。

當軸承出現嚴重卡死時，在執行停機命令之前，通過拉低機組的實際功率產生熱量；機組停機時甩負荷轉速上升受阻；在執行停機命令后，軸承卡死后，發電機軸仍然在旋轉，劇烈摩擦使軸承內部產生熱量。以上為軸承內部油脂氣化提供了熱量，也使得在發電機軸前端的溫度很高，為點燃可燃物品準備了條件。

事故原因分析

一、潤滑油脂填充量

潤滑脂的填充量，以填充軸承和軸承殼體空間的三分之一和二分之一為宜，若加脂過多，軸承滾動體散熱受阻，還會使油脂變質惡化或軟化。用于高速旋轉的軸承應僅填充至三分之一或更少。用于低速旋轉的軸承，為防止外部異物進入軸承內，可以填滿殼體空間。

圖7 為發電機前軸承接油盒和手動注油口的位置，而自動注油口在發電機軸承前端蓋的正上方。按照事故機組發電機軸承的注油和排油方式，只要發電機的潤滑泵自動注油正常，在軸承前后端蓋之間和整個軸承殼體內部均充滿油脂。因此，此種類型發電機軸承的注油量，軸承內部的油脂量就會遠超過正常的填充量。圖8 為該種類型發電機前軸承后端蓋普遍的油脂狀況。

事故機組的發電機軸承采用的是高溫潤滑脂，根據油脂廠商提供的滴點溫度在250 ℃左右，當達到滴點后基礎油會從油脂中分離流失出來，而流失出來的基礎油的燃點約為300 ℃，一般軸承抱死時，發電機軸前端的溫度應在600℃以上，遠超過其燃點溫度。

就本次事故而言，當軸承保持架損壞后，發電機軸承內外圈之間以及軸承內圈與發電機軸之間的摩擦，劇烈發熱，軸承和發電機軸前端發熱嚴重，大量的油脂會受熱發生蒸發，當蒸發的油脂從發電機軸承前端噴出以后，溫度超過潤滑脂的燃點就會燃燒。從軸承滾動體及軸承內外圈的滾道發黑嚴重，軸承內圈與發電機軸之間有融化現象（其材質為鋼，純鐵的熔點溫度為1535 ℃，鋼的熔點為1515 ℃左右，隨著鐵中碳或其他成分含量的增加，熔化的溫度會降低，如在高爐煉鐵時因含碳量較高1200 ℃左右就熔化了），如圖1 所示，所以，軸承內圈與發電機軸前端的溫度很高，可導致大量的基礎油迅速氣化，大量可燃氣體從發電機前軸承端蓋處噴出后，在發電機軸前端或力矩限制器處點燃，促成著火燃燒。

二、事故再現及原因分析

此次事故，機組在處于滿負荷發電狀態時，發生發電機前軸承損毀、卡死，當軸承故障后，先是軸承保持架破損，軸承內外圈之間的摩擦發熱嚴重，本是過盈配合，因急劇的熱膨脹，造成軸承內圈與發電機軸之間的阻力減小，并產生相互滑動，劇烈摩擦產生大量的熱量。部分金屬材料已經融化，軸承和發電機軸前端的溫度迅速上升。

由于發電機轉子與軸承內圈劇烈摩擦，軸承和發電機軸前端的高溫使軸承內的油脂蒸發、氣化，并產生大量的可燃氣體。個別油脂分子在高溫下，還可能出現分子鏈斷裂，產生的可燃氣體不需要明火在高溫下就能點燃，有的油脂分子則在軸承中碳化變黑，如圖2 所示。

發電機前軸承后端蓋、軸承端蓋、軸承前端蓋一起組成一個相對密閉的空間，產生的氣體，只能從發電機前軸承端蓋與發電機軸前端之間的間隙噴出，因劇烈摩擦、聯軸器打滑導致發電機軸前端及聯軸器力矩限制器處的溫度很高，以致可燃氣體點燃，并在聯軸器與聯軸器罩殼之間燃燒，產生的熱量又持續把發電機軸前端和軸承前端蓋加熱，前端蓋和發電機軸前端的高溫又進一步把軸承內的油脂氣化。氣化油脂又再次著火燃燒。同時，發電機軸較粗（φ120），易于傳熱，隨著摩擦產生的熱量不斷向外傳遞，油脂燃燒使發電機軸承1 溫度和油脂氣化得以長時間維持，因火勢的減小，或熱量的不斷向外傳遞，觸發“發電機軸承1 溫度偏高”復位，因火勢、熱量的增加，又再次觸發“發電機軸承1 溫度偏高”報警等現象。另一方面，被火長時間烘烤的聯軸器和聯軸器罩殼中的有機物燃燒也能產生一定的熱量。加之聯軸器罩殼上半被燒損毀的情況等，從而使得火勢呈現出時大時小的現象。

燃燒在聯軸器和聯軸器罩殼之間進行，火焰和熱量噴向剎車盤，對剎車盤不斷加熱，并不斷地把熱量傳到齒輪箱的高速軸端，再傳熱到齒輪箱軸承2 上。15:53:59 即停機40min后，觸發“齒輪箱軸承2 溫度偏高”，溫度超過85 ℃，當聯軸器罩殼部分被燒成灰燼后，有部分火焰和熱量直接噴向齒輪箱溫度傳感器2 和齒輪油入口溫度計，因此，在停機41min 后的15:54:24 觸發“齒輪箱軸承2 溫度過高”，溫度超過90 ℃，在16:00:02 時，齒輪箱軸承2 的溫度為104 ℃，再經過6min 后，齒輪箱軸承2 的溫度又上升了14 ℃左右，溫升速率遠超過剛停機后的一段時間。油脂燃燒使得機艙溫度、齒輪油入口溫度，也在停機后不斷升高。

因此，16:00:02 即機組停機47min 左右，機艙內還在不斷燃燒。直至油脂不能再蒸發氣化，燃燒停止。

潤滑油脂主要由高分子量烴類組成，難以充分燃燒，必然會產生大量黑色的炭黑，當軸承內氣化壓力較低時，會有更多的油煙停留在發電機端蓋上面，因此，在軸承端蓋處留下V 字形印跡，主要是油脂的不完全燃燒使整個機艙都布滿黑色炭黑狀的煙塵物。另外，聯軸器和聯軸器罩殼中的有機物在碳化時，也會產生少量的煙塵。

發電機前軸承端蓋上出現了V 字形的黑色印記，這是此類火災事故的共同特征，也是發電機前軸承油脂不完全燃燒和起火部位的直接實物證據。如圖9 所示。

三、發電機前軸承油脂過多是事故的根本原因

因發電機前軸承內部的油脂過多，才使燃燒得以長時間維持。如果事故機組在軸承保持架損壞后沒有迅速報故障停機，短時間內的軸承熱量將大大增加，短時間氣化的油脂量更多，火勢更大，可能使齒輪箱的橡膠油管、機艙罩殼等有機物也迅速燃燒起來，從而導致機組燒毀事故的發生，因此，此類由軸承保持架引發的火災事故，油脂過多是引發火災事故的關鍵。

不同生產廠家的發電機均出現過前軸承卡死、保持架損壞事故，但是，其他廠家發電機則少有類似火災及機組燒毀事故。例如，另一生產廠家的發電機，當前軸承出現卡死后，僅是在發電機前軸承出現一些黑色煙塵，從未出現過聯軸器燒毀和機組燒毀事故。究其原因，兩種發電機的注油和排油方式的區別很大，當發電機前軸承卡死后，可供燃燒的油脂量較少，則不能在發電機軸承前端產生較大的火勢，從而避免了此類事故的發生。

經驗與總結

一、本次事故預防措施

當機組使用一定年限后，發電機軸承損壞、卡死狀況不可避免，由前面分析可知，如果發電機前軸承內部沒有大量的油脂，將不會導致火勢的蔓延，引發火災。

因此，為避免此類事故的再次發生，應采取有效措施嚴格控制軸承內部的油脂量，防止油脂在發電機軸承內大量沉積。較為準確地控制發電機前軸承的注油量，是避免火災事故的根本方法。

就此事故而言，建議對于已投運此型號發電機采取手動注油方式，取消自動注油，通過人工方式準確地控制注油量和油脂位置，按時清理軸承內部廢油；對于新生產的發電機，建議對其注油位置和排油方式進行改進，以避免過多的廢油在軸承內部沉積。

二、眾多機組倒塌、火災事故預防措施匯總

在正常質量和條件下，風電機組機艙、輪轂等部件大都為非易燃品。短時間、小面積的起火、燃燒，一般不會引發機組火災事故的發生；沒有足夠的風力和對塔筒巨大的翻轉力矩，機組是不會倒塌的。

因此，在防止火災和機組倒塌事故時，應抓住重點，有的放矢。著重預防機組長時間持續發熱起火故障和直接導致機組倒塌、起火的錯誤操作和維護方法，對于變槳機組尤其要防止三支槳葉同時不能順槳故障的發生。

機組倒塌、火災事故的預防措施，總的來講，大致可分為以下五種：

（一）防止變槳機組在停機時出現三支槳葉同時不能順槳故障，具體措施如下：

1 重點檢查和預防因機組接線錯誤而導致三支槳葉同時不能順槳故障。

2 把握關鍵部件的容量和質量。對于電氣變槳系統，避免因輪轂質量造成大功率接觸器卡塞、起火，進而引發機組火災事故的發生；因接觸器質量問題造成在緊急順槳時三支槳葉同時不能順槳。

3 避免因機組主控軟件設計，或機組硬件設計缺陷造成三支槳葉同時不能順槳。

（二）注意高速運轉軸承內部的注油量，避免在軸承抱死時，因油脂過多而引發的火災事故。

（三）防止危及機組安全的錯誤操作。例如對于變槳機組，在安裝時，禁止讓三支葉片同時停留在開槳位置的情況等；注意維護細節，避免火災事故的發生，如在對輪轂、機艙進行清洗維護時，禁止采用大量的汽油類，易揮發且易燃的清洗劑進行清洗等。

（四）預防和避免箱變低壓側斷路器不能自動保護性跳閘故障的發生。對于雙饋機組二手吊車，如箱變的低壓側斷路器不具有自動跳閘功能，當機組停機時，發電機不能脫網造成發電機定子長時間短路發熱，進而引發火災事故。

（五）預防其他類原因造成機組倒塌。如機組安全等級選擇，或微觀選址不當；塔筒、塔筒螺栓不合格，或塔筒螺栓維護不到位等。

總之，當機組燒毀、倒塌事故發生以后，應追尋事故發生的根本原因，抓住重點，采取合理、適當、有針對性的預防措施，以避免機組重大事故的再次發生。

結語

為預防和避免風電機組重大事故的發生，可以通過完善設計、提高產品質量、增強從業人員的業務水品和責任意識等主動措施，以降低事故的發生率。而不是簡單地增加消防系統等消極、被動的防火措施。

風電機組的運行環境惡劣，在主控設定的條件下自動控制運行，因此，我們要以預防為主，不僅要防止風電機組燒毀、倒塌事故的發生，而且，還要考慮到風電機組的生產、運行和維護成本，最終達到機組在20 年內成本較低，甚至更長時間內達到度電成本最低。