1.背景：

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

2.事故現(xiàn)場信息

1）無法順槳風(fēng)機處于山頂，是風(fēng)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(fēng)機輪轂內(nèi)部的變槳驅(qū)動器編碼器線纜燒斷，變槳控制柜內(nèi)部有燒焦味道，起火點參見圖1；

圖1 變槳驅(qū)動器組網(wǎng)與起火點示意圖

拆解后發(fā)現(xiàn)，PG卡的D點位置處TVS管損壞短路（驅(qū)動器單體EMC實驗中，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)動器起火點

4）變槳電機沒有損壞，更換驅(qū)動器后可正常工作；

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

3.驅(qū)動器損壞導(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，可進行開環(huán)動作。但實際驅(qū)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(shè)計缺陷，當(dāng)PG卡發(fā)生短路時，24V電源被拉低，IGBT驅(qū)動電路無法工作，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。

4.驅(qū)動器損壞原因推測

4.1風(fēng)電機組遭雷擊受損形式

風(fēng)電機組遭雷擊受損形式，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(chǎn)生強大的磁場，接閃器的引下線設(shè)計不當(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(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?？刂破鞣旁诮饘贆C箱內(nèi)部，且編碼器線纜及電機線纜均為屏蔽線，且已經(jīng)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(qū)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(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，推測事故機由于損壞形式4），導(dǎo)致短路起火及驅(qū)動器內(nèi)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(fēng)機雷擊截收面積

采用文獻［2］風(fēng)機雷擊接收面積計算方法，進行現(xiàn)場時估計的截收面積計算。中風(fēng)機雷擊有效高度H為風(fēng)機高度加上當(dāng)?shù)睾０胃叨?，參見圖5。風(fēng)場平均海拔高度約為480m左右，風(fēng)機高度80m，槳葉25m，截收范圍為方圓1755m。

（a）風(fēng)機高度示意圖

（b）風(fēng)機雷擊截收面積計算

圖5風(fēng)機雷擊截收面積

5.1.2事故機雷擊概率分析

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

事故機位于風(fēng)場最高處，截收雷擊面積最大。所以，與風(fēng)機群其他風(fēng)機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

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(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)

通過事故機的地理位置、截收面積與雷電截收概率、風(fēng)機槳葉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雷電磁耦合機理

雷電流流過風(fēng)電接閃器及引下線產(chǎn)生強大的磁場，這些強磁場通過回路時，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)電壓機理和回路電流計算如下所示。

圖8 雷電磁耦合機理

閉合環(huán)路時的電流如下：

5.2.2變槳驅(qū)動器回路雷電感應(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)電機放電氣隙連接到機艙室，引下線與驅(qū)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(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進行評估計算。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的雷電流脈寬達到s級時，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，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)動器的影響：為了抑制驅(qū)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(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，脈寬達到s級的雷點感應(yīng)電流，足以燒毀編碼器線纜；

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

5.3實驗驗證分析

5.3.1雷擊實驗

對驅(qū)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(qū)動器與編碼器線纜雷擊模擬實驗流程與結(jié)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(jié)果參見表3。

表3 短路試驗

5.3.3實驗驗證小結(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(fā)生，說明編碼器由雷擊感應(yīng)電流燒斷而非遠端短路導(dǎo)致。

3）短路試驗中，在D點短路時，驅(qū)動器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，脈寬達到s級時，足以燒毀編碼器線纜；

3）屏蔽層與內(nèi)部芯線間感應(yīng)電壓達到3000V左右，使得PG卡內(nèi)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(diào)整，遠離控制線；

變槳控制柜線纜，遠離接閃器引下線；

驅(qū)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(fēng)機引下線和控制柜位置，結(jié)合驅(qū)動器最優(yōu)化改動，落地方案為回路增加保險絲，以滿足業(yè)主在發(fā)生故障時可以開環(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)電壓破壞防護器件；

驅(qū)動器單體防護要與系統(tǒng)應(yīng)用匹配，特別是器件失效后引起的短路失火等問題；

可通過短路試驗與雷擊實驗等手段輔助分析雷擊事故真因；
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