关于风电机组火灾原因和管理措施

关于风电机组火灾原因与管理措施探讨

一、概述

风力发电机组（简称风电机组）的作用是将风能合理转化为电能。通过风力的作用，实现叶片的转动，通过增速设备将叶轮旋转的频率加大，带动发电机发电。

1.风电机组的结构

风电机组的主要组成部分包括：叶轮、机舱、塔筒以及传动系统、控制系统、发电系统等。叶轮和机舱构成了一个横向的分区，这一区域的封闭性较强；塔筒与机舱共同构成了一个纵向的分区，这一分区也具有较强的封闭性。塔筒一般有3-4层平台，构成了上部与下部互不连通的纵向分区。

2.风电火灾事故情况

风电行业事故主要以叶片损坏、倒塔、火灾、雷击等为主。风电火灾事故影响很大，除了造成设备损失，影响生产效益和人员伤亡外，还会降低风电作为先进的、可持续绿色能源行业的社会形象。

由于事故较敏感，各开发商或厂家不愿意公开统计数据，但风机着火已经是行业内较突出的风电事故之一。而且风电场一般地处偏远地区，发生事故后容易遮掩。据英国风能机构的不完全统计，截至2009年12月31日，全球共发生风电机组重大事故715起，其中火灾事故138起，占总数的19.3%，位列第二位。另，据2014年其中一期《火灾科学》杂志上，有研究人员在对全球20多万台风机进行了评估之后，甚至认为风机发电机的火灾发生率要比业内普遍认为的平均每年11.7起的几率高出10倍，即认为每年至少有超过117起风机着火事故发生。在我国也发生了不少风机火灾事故，造成了重大设备损失，甚至专业技术人员伤亡。我国是风电容量第一大国，截止到2016年底，我国风电装机容量达1.69亿千瓦，意味着国内竖立的风电单机超过11万台。因此，对如此巨量设备的火灾管控必须得到有关部门和单位的重视。

3.风电机组火灾的特征

火灾扑救难度大。一旦发生就造成极大的直接损失（当前单台风电机组设备价格约600-800万元）和间接损失（发电量减少），且外部救援可能性近乎为零。

火灾隐患点多。风电机组从上到下都存在发生火灾可能，且火灾环境恶劣（机舱外部空气流动大，塔筒内部容易形成空气对流等）。

火灾类型复杂。电气火灾、固体火灾和液体火灾均有可能发生（涉及到的可燃物的种类很多，包括：不同种类和用途的润滑油脂、液压油、电器设备、电线电缆、叶片、机舱罩及其保温层等）。

二、风电机组火灾隐患和特征分析

1.叶轮

叶轮的组成部分包括叶片、轮毂、变桨机构（电机或液压）、控制装置以及整流罩。叶片的材质以及整流罩的材质多为玻璃钢复合材料，叶片内部夹芯结构由玻璃钢表层中间加泡沫（PET）芯材或巴沙轻木（BALTEK）芯材构成，本身不易燃，但叶片容易遭受雷击，从而引起火灾。在设备较长时间的运行中，尤其是叶片变桨电机超负荷运行以及控制装置由于过热老化而导致电气击穿，控制箱通风不良也会导致过热发生，如果不能及时处理，会导致火灾。因此，主要隐患部位在于叶片、变桨电机以及变桨系统的电池柜和电容柜。

2.机舱

机舱的支撑结构主要是塔筒，被机舱罩所包围，形成一个独立性较强的空间，机舱中包括主轴、齿轮箱、发电机、刹车系统、散热系统、连轴装置、控制柜、变频柜以及风向标、测速装置、底板、照明系统等。机舱中由于通风不良，舱内温度往往较高（夏天能达50度），电气设备、线缆等材料容易出现过热、老化。机舱内主要设备长时间处于高速旋转的状态，所产生的振动容易使电气短路或连接接头、插件以及电缆接口发生松动，加大接触电阻而导致局部温度过高。多起风机火灾事故也表明，电气火灾是主要形式之一，机舱内因控制柜着火而引燃整个机舱的事故并不少见。机舱内各组件的润滑油、液压油如果出现泄漏，也会对机舱中的设备以及底座造成较为严重的污染，促使火灾产生，并助长火势蔓延。刹车系统制动过于剧烈，会导致设备瞬时温升，同时产生火花，非常容易引发火灾。机舱的封闭结构和空气强烈流动的外部环境，使得火势一旦产生就会快速扩大而不会自动熄灭。可见，机舱的主要火灾隐患在于控制柜、并网柜、变频器、刹车盘、发电机、油污等。

3.塔筒

塔筒对风机叶轮和机舱起到支撑的作用。形状为中空式的圆柱形，一般塔筒还会设置多个休息平台，实现上部与下部相对独立的空间，在塔筒中设置了爬梯、照明系统以及多条用于传输的动力电缆以及用于发挥控制作用的控制电缆。一些风机设备厂家将变频柜和控制柜等装置设置在塔筒的下层平台中。基于其较小的空间，很难实现良好的通风，所以各种电气元件很容易由于老化而被击穿。另外，由于设备连接插件以及电缆连接处接触不好，由于其他设备事故导致的电缆过流或者绝缘层老化，十分容易引起控制柜内部的元件发生火灾或者电气线缆发生火灾。值得一提的是，塔筒内部一旦发生火灾，原本密闭的塔筒门被破坏后与塔筒顶部出口如果形成空气对流，会加速火势蔓延，产生严重后果。总之，塔筒内火灾隐患主要在于各种动力电缆和控制电缆、部分机型位于塔基的控制柜、变频柜。

三、风电机组火灾原因分析

近年来国内发生了多起风机火灾事故，典型事故列举如下：

2009年7月14日，内蒙古锡林浩特某风电场一台1.5兆瓦风电机组发生火灾。原因怀疑为维修过程中，在机舱烧电焊，引发机舱内的油脂起火；

2010年1月24日，通辽宝龙山某风电场一台1.5兆瓦的机组发生飞车引发火灾和倒塔事故；

2010年4月17日，内蒙古辉腾锡勒风电场一台风机由于液力联轴器故障发生溢油，引发机舱起火；

2016年12月，内蒙古通辽朱日河某风电场一台投运了五年的1.5兆瓦风机着火烧毁，原因怀疑与定期维护遗留问题有关。

从绝大部分风电机组烧毁事故来看，大都是由于雷击、电器、线路起火，或机组在运行过程中，由旋转部件损坏而造成剧烈摩擦发热产生的火灾。根据已知实际发生的风电机组火灾事故进行统计与总结，造成风电机组火灾的原因主要有十种，可分为非人为因素和人为因素区别分析。非人为因素有：

1.发电机电缆与接线盒原因。风机发电机定转子出口电缆在相间或单项对地绝缘降低或短路的情况下放电引燃电缆。此外，部分风机设计的机舱内加热器距离发电机出口电缆较近，机舱加热器保护失灵等使得加热器持续工作易引燃电缆。部分风机由于设计或出厂质量等原因，接线盒端子排间隙较小，方形螺丝垫片易发生尖端放电。

2.发电机轴承过热：发电机轴承自动注油系统故障(如发电机加脂机损坏或油路堵塞)，润滑油脂劣化、轴承摩擦大的情况下，导致轴承过热，引燃附近易燃物，如油污、遗落布条等。另外，发电机轴承冷却风扇不工作也会导致轴承温度过高。

3.刹车系统形成高温：在机组报安全链故障或人为手动紧急停机的情况下，机组会紧急停机，此时刹车瞬间投入，如机组在高速运转，刹车片和高速旋转的刹车盘之间摩擦产生大量火花，可能引燃周围易燃物。另外，在沿海地区，台风期间如风机没有正常切出停机，叶片没有处于顺桨状态而在30m/s以上风速仍然受力，也会导致刹车盘发热严重。

4.雷击：雷击是引发风机发生火灾的重要原因之一。虽然风电机组都配备了从叶尖-轮毂-机舱-塔筒-基础的避雷系统，但一旦避雷设施维护不当，70米以上高空中的风机遭受雷击并发生火灾的风险就大大提高。进入夏季5-8月期间，雷雨日增加，由于机组长时间处于振动状态或日常检查不到位，可能出现接地系统导通不良，或者遭遇超强雷电超出风电防雷设计标准等情况时，就会造成雷电无法顺利导入大地，局部连接点过热放电引起机组火灾。按照目前风电设备的发展趋势，为了进一步开发中低速风区，风电机组在向高塔筒和长叶片的方向发展，而高塔筒和长叶片使得风机遭受雷击的可能性进一步增大。

5.发电机绕组短路：由于发电机绕组加热装置出现故障或控制回路出现异常，会持续对绕组进行加热，导致绕组绝缘老化引起短路。