甘肃某风电场“4.12”风机倒塔事故分析，事故风机

【摘　要】　深究风电机组倒塔事故产生的原因及当时出现的关键细节，从中总结经验，将给机组运行、维护以启迪及改进方法，还可为机组设计提供新的方案。本文就甘肃某风电场“4.12”机组飞车倒塔事故进行分析，并对其中的一些细节和问题提出作者的看法。

【关键词】　风电机组　倒塔　事故　原因分析　总结经验

引言

2019年4月12日，甘肃某风电场的2MW电励磁直驱84#风电机组发生了飞车倒塔事故，并造成了人员4死2伤亡。经过深入剖析，发掘事故中的诸多安全隐患，并探究机组设计中的一些细节问题。通过深究和分析，进一步发现机组运维中必须掌握的安全知识、必须注意的安全事项，不仅有利于避免类似事故的再次发生，甚至还可能得到在机组设计中需要完善的地方，以及具体的改进措施。

2019年6月13日，武威市人民政府发布了《武威市某风电场“4.12”风机坍塌事故调查报告》，该报告较为详细地叙述了事发经过，透露出了事故的诸多细节。本文就报告中的一些关键信息进行分析和探讨。

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事故经过

以下的事故经过，主要依据武威市人民政府发布的《武威市某风电场“4.12”风机坍塌事故调查报告》（下称《报告》）整理。

1.1 事故起因及应急处置

2019年4月11日08时，由厂家运维人员A办理工作票后，A与B、C、D、E对风电场单机容量为2MW型的84#机组进行半年维护工作。

4月12日08时58分，工作人员A、C、B、D、E 5人进入风机。将风机切换到维护模式，开展机组半年定检维护工作。主要任务为螺栓力矩校验、机组卫生清理等。4月12日约14时45分左右，A、C、B、D、E、F共6人登塔继续对机组进行半年定检维护，机组状态为人机交互界面登录维护模式，叶轮为机械刹车抱闸状态。

如图1《报告》第12页所述：15时24分，运维人员6人在机舱作业，变桨手动模式激活, 在完成3#桨叶力矩校验工作，进行下一支桨叶力矩校验工作需要转动叶轮，要求刹车松闸。为了使叶轮转动，通过电脑对1#、2#桨叶变桨，但叶轮未转动，3只桨叶的角度分别为1.58°、2.5°和0.51°（0°为完全打开状态，90°为完全关闭状态），检查发现刹车实际未松闸，在机舱进行复位后，随即叶轮转动。

图1：《报告》第12页内容部分截图

15时43分，机舱复位操作，机组状态由“机组维护”模式变为“机组故障"模式（见图3机组运行模式转化信息）；叶轮机械刹车松闸，叶轮转速从Orpm上升到0.412rpm，此时对应的风速为6.22m/s。15时44分，SCADA报出“手动刹车使能”，对叶轮进行机械刹车、未成功制动，叶轮转速继续上升。再对叶轮进行叶轮锁锁定，SCADA报出“发电机锁紧销锁定”，此时，叶轮转速约为3.34rpm,锁定未成功，叶轮转速继续上升。

1.2 机组飞车、倒塔的过程

15时45分49秒,此时叶轮转速达到19.64rpm, SCADA报“叶轮软件过速1”、“叶轮软件过速2”，工作人员在机舱操作断开了变桨电源2F1开关，桨叶未收桨，叶轮转速继续上升F让C、B、D、E， 4人下塔。15时46分，叶轮转速达到21rpm。F要求A机舱手动操作偏航，叶轮转速仍未下降，F要求A下塔。

15时47分，数据中断。15时48分，发生倒塔事故。

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事故原因分析

2.1 运维人员问题

2.1.1 没有悬挂缓冲绳是造成重大伤亡的重要原因

由《报告》第25页可知：E，D，C有3人均未穿戴安全带及悬挂缓冲绳，在事故中死亡；在《报告》第29页中描述到：B未穿戴安全带及悬挂缓冲绳。在事故中遭受重伤。而在《报告》第25、26页对A的叙述中，没有提及其穿戴安全带违规，这说明A是穿戴了安全带，并悬挂了缓冲绳的，受轻伤。

A是在最后下塔筒，在机组倒塔时在塔筒顶端，倒塔后只是受了轻伤。其所处位置比其他4人更高，冲击力更大，如果没有穿戴安全带并悬挂缓冲绳，应该比先下塔的4人伤势更加严重。这个案例充分说明了穿戴安全带和悬挂缓冲绳的重要性。再看F，在机组倒塔时还在机舱，没有下塔，即便是穿戴了安全带，也没法悬挂缓冲绳，在事故中死亡（见《报告》第25页）。假设6人在倒塔时都在下塔，且均穿戴了安全带，并悬挂缓冲绳，可能都能象A一样幸运，从而可大大地减小人员伤亡。

因此，由以上6人的伤亡情况的分析可知，未穿戴安全带及悬挂缓冲绳是造成此次事故重大人员伤亡的重要原因。

2.1.2 三支叶片同时停在零度位置附近的分析

如图1所示，《报告》第12页指出：事故机组三支桨叶的角度分别为：1.58°、2.5°和0.51°，即三支桨叶均接近最大迎风面位置（报告中的“全开状态”），这是造成机组飞车的直接原因。为什么现场人员要把三支叶片都调整至“全开状态”呢？

叶片零度位置对机组效率至关重要，因此在机组维护时，要进行叶片零位的校对工作。在校验时，需要把叶片上的绝对零位和变桨轴承上标识的零度位置对齐，并把叶片编码器的硬件、软件复位清零。正确做法是：在矫正完一支叶片后，然后把矫正后的叶片回到安全位置（90°位置），再进行第二支叶片的矫正。从现场实际情况来看，应该是运维人员在把叶片调到零度位置，对叶片绝对零位矫正之后，三支叶片都没有回到安全位置，就直接进入叶片螺栓力矩的校验工作。

矫正叶片零位需要转动叶片。在进轮毂之前，通常必须在机舱利用服务开关钥匙或旋钮在机组控制柜上由“正常运行”模式（即《报告》中的“机组故障”模式）调整至“机组维护”模式。有的机型设计是通过人机交互界面对“机组维护”模式进行切换；有的机型设计是在变桨轴控柜上把叶片由“自动模式”调整为“手动模式”或“强制手动模式”，也只有调整至“机组维护”模式,或“手动模式”、“强制手动模式”，叶片才能由90°位置操纵到零度位置。

另外，在机组维护时，给叶片、变桨轴承连接螺栓打力矩是机组维护的重要内容。在给叶片连接螺栓打力矩时，除了需要进行以上的叶片转动操作之外，为避免在维护叶片螺栓时因力矩扳手的剧烈抖动，致使叶片轴控柜内接触器的接触状态发生变化，引起变桨电机的误动作，导致卡住打力矩的套筒扳手，烧毁变桨电机等，还需把变桨轴控柜上的直流供电的电源开关断开。这样，不仅变桨电机没有供电，而且变桨电机上的电磁刹车器也因失电刹车，从而进一步保证了变桨电机不会出现误动作的情况。

然而，在变桨轴控柜上设计的供电开关，不仅是在维护叶片螺栓力矩时使用，而且还是在机组维修时保证机组及人身安全的需要。例如：在变桨维修需要更换变桨驱动器时，需要把轴控柜上的供电断开，以保障人身安全；再如：在机组维修时，如果出现变桨轴控柜内元器件打火，则可迅速、方便地在变桨轴控柜上切断供电电源。从而有效地保证了机组及人身安全。因此，在通常情况下，无论是交流变桨系统，还是直流变桨系统，在变桨轴控柜上均设置有变桨供电电源的总开关。

如图2（1）所示，为某1.5MW双馈机组直流变桨系统轴控柜上的交直流供电开关状况，大的手柄为直流供电开关，小的旋钮为400V交流供电开关，如果把轴控柜上的这两个交直流供电开关全部断开，因变桨电机及其电磁刹车失去供电，机组无论处于“机组维护”模式，还是“机组故障”模式（“正常运行”模式），叶片都不可能移动。

如图2（2）所示，为某1.5MW直驱机组交流系统变桨轴控柜上供电开关和旋钮状况，该交流变桨系统，后备电源为超级电容，三个变桨轴控柜内各有一个超级电容的充电器。大的红色旋钮为交流400V供电开关，中间为叶片运动模式转换开关，有自动、手动和强制手动三个档位，右边小旋钮为0°～90°，或90°～0°的操纵旋钮。交流400V开关是变桨驱动器及超级电容充电器的供电电源开关。因电容的自放电速度较快，如果较长时地断开交流400V供电开关，交流、直流都不能给变桨电机及其电磁刹车供电。这样，机组无论处于何种模式，叶片都不可能转动。

（1）某1.5MW双馈机组直流变桨系统轴控柜上的交直流供电开关

（2）某1.5MW直驱机组交流变桨轴控柜上的交流供电400V开关

（3）某6MW机组交流变桨系统轴控柜上的交直流供电开关

图2：变桨控制柜上交直流电源的供电开关

如图2（3）所示，某6MW机组交流变桨系统轴控柜上的交直流供电开关和旋钮状况，该系统不仅有如图2（2）所示的交流400V供电开关，叶片模式转换旋钮和叶片转动旋钮，而且在轴控柜的最右边还设置了变桨电机的直流供电开关。同理，如果把轴控柜上交直流两个供电开关全部关掉，则交流、直流都不能给变桨电机及其电磁刹车供电。机组无论处于何种模式，叶片都不可能移动。

如图1所示，在《报告》第12页中有这样的描述：“在完成3#桨叶力矩校验工作，进行下一只桨叶力矩校验工作需要转动叶轮，要求刹车松闸”。由此可见，现场人员实施了桨叶螺栓的力矩校验工作，而在进行螺栓力矩校验工作之前，可能就已经断开了三支叶片轴控柜上所有供电的电源开关。

由前面分析可知：当把叶片调整到0°位置以后，再把变桨轴控柜上的供电开关全部断开。这样，机组无论是采用哪种变桨系统，在机舱把机组由“机组维护”模式调整为“机组故障”模式（正常运行模式），因变桨电机没有供电，三支叶片都不可能顺桨。

如果现场人员只是在维护时把三支叶片调到0°位置，变桨轴控柜上的供电开关处于闭合状态，变桨轴控柜上的旋钮档位也调整正确，那么在机舱把机组由“机组维护”模式调整为“机组故障”模式时，机组必然因机组故障，或安全链断开等顺桨，从而就不会使三只叶片都处于“全开位置”（即：最大迎风面位置）。

如图1所示，在《报告》第12页中还描述道：通过电脑对1#、2#桨叶变桨，但叶轮未转动；其后，把机组状态由“机组维护”模式切换到“机组故障”模式也没顺桨。这进一步说明：只有把三只叶片变桨轴控柜上所有的供电开关全部断开，才会出现上述结果。

所以，从该飞车事故来看，现场人员把三支叶片同时调到零度位置属于操作错误。而更为致命的操作错误是：现场人员把三个变桨轴控柜上的供电开关全部断开，在出轮毂时均未闭合，这才是造成三只叶片均不顺桨的根本原因。

2.1.3 运维人员缺乏应有的专业知识

新入职的C、B、D、E 4名员工于2019 年4月8日与XXX公司签订劳动合同后，XXX公司未依法对4人进行必要的岗前安全生产教育和培训，随即派往事故风电场，入职3天过后就到风电场实施2MW机组的维护工作。

从现场运维的要求来看，即便是做过其它机型的风电机组维护，对新机型也需要进行必要的专业培训。因缺乏应有的培训和相关专业知识，他们不知道三支叶片同时处于零度位置的危害性，更不知道把变桨轴控柜上所有供电开关断开可能产生的严重后果。

正如《报告》中所说：“安全培训教育流于形式”（见《报告》第19页）。因此，现场人员缺乏应有的风电专业知识是事故发生的重要因素。

2.2 机组设计问题分析和探讨

2.2.1 6.22m/s风速造成机组倒塔

如图1 所示，《报告》第12页指出：“叶轮转速从Orpm上升到0.412rpm，此时对应的风速为6.22m/s”。从机组启动到倒塔，整个报告只看到一个风速数据。再从众多2MW机组的设计来看，机组达到额定功率的风速应在10m/s以上。而风的能量与风速的立方成正比，6.223 ≈240.64；103=1000，6.22m/s风速能量还不到10 m/s风速能量的四分之一。在风的能量远低于机组额定风速的情况下，在3分钟左右的时间内就造成了机组倒塔，这与通常的认知存在较大的差距。

事故发生时，风速大小是分析飞车倒塔事故、还原倒塔过程的重要依据。然而，在《报告》中只有6.22m/s一个风速数据。或许是该机组只存储了10分钟的风速采样数据，没有1秒或30秒的风速数据。因机组在3分钟之内就倒了，从开始旋转到数据中断总共的时间也不到5分钟，如果机组的风速是按10分钟采样、储存，离倒塔最近的风速数据只能有一个。如果这样，日常的机组故障分析也是难以满足要求的。正常情况下，近期内机组主控不仅应储存有10分钟平均风速数据，还需储存有30秒、1秒频次的风速数据，甚至还应保存机组报故障瞬间毫秒级的故障回放数据，这样才有利于事故分析，便于机组维护和维修。

从现场机组形成功率曲线所需的风速数据来看，通常现场机组受到的影响因素很多[1]，不能达到IEC61400-12-1中的标准场地标定要求。现场机组形成的是动态功率曲线[2]，主要供现场运维人员进行机组功率曲线调整，检查风速仪、风向标故障以及叶片零位是否存在问题之用。例如：在机组刚调试后，需要及时对机组的额定功率及功率曲线进行调整，在大风来临需及时观察，并对机组的实际运行功率进行准确调整。通过观察一次大风之后所形成的功率曲线数据，以此检查机组是否能够达到满发，现场机组形成的功率曲线是否符合要求等。都需要1秒采样风速和机组功率形成的功率曲线数据，否则形成的数据量太少不能满足现场需要。另外，在机组运行过程中，必要时还要根据机组现场形成的功率曲线检查其风速仪、风向标以及叶片零位是否存在问题，这需要30秒采样的风速、功率所形成的功率曲线数据[3]。

如果机组只存储有10分钟采样的风速数据，显然不能满足机组日常的故障分析及现场运维的要求。

2.2.2 显示量程及采样时间问题

第一，转速存储与显示问题

如图3所示，机组在15时46分19秒至15时48分4秒，叶轮转速一直稳定在21.65rpm。机组已经飞车失去控制，而机组转速在超过1分多钟以上的时间都稳定在21.65rpm，这与现实情况明显不符。即便是机组正常运行，通常也不可能把转速稳定在小数点后两位。如果转速的最大值量程只有21.65rpm，转速超过这个数字以后就只能显示为21.65rpm。出现这样的结果就可以解释了。

在《报告》第13页中阐述到：“15时45分49秒,此时叶轮转速达到19.64rpm, SCADA报‘叶轮软件过速1’，‘叶轮软件过速2’”。这就是说，机组的两个软件超速值设置在19rpm附近，超过19rpm以上3rpm左右机组的转速就不能正常显示。这说明事故机组存的转速量程过窄问题。

机组转速量程太小，在某些特殊情况下，不利于机组故障的发现和查找和事故分析。

图3：《报告》第13页中的机组运行模式转化信息

第二，数据采样时间问题

从图3中的数据可以看出，机组转速数据显示的间隔时间为30秒。从表中数据可以看出，15时44分49秒机组转速为3.34rpm，15时45分19秒机组转速为10.71rpm，15时45分49秒机组转速为19.64rpm，在1分钟之内机组转速上升了16.3rpm，而转速数据只有3个，没有更短时间、更高频次的采样数据，这显然不能满足日常的机组故障分析和维护的需要，也不利于事故分析。

2.2.3 桨叶扫塔问题

如图4所示，在《报告》第16页中有这样的描述：“桨叶扫塔，结构失稳，引起倒塔”。可见桨叶扫塔与机组倒塔有着必然的联系。

图4：《报告》第16页中关于“桨叶扫塔”的描述

在通常情况下，风并非完全沿着水平方向吹向叶轮，而是有一定的斜度，为了尽量保证来流与叶轮旋转平面垂直。因此，在机组设计时，叶轮旋转平面轴线与水平方向有一定的夹角；另一方面，大型风电机组叶片较长，受风的作用，当风速较高时，叶片变形很大。在通常情况下，风越大，叶片向塔筒方向的变形越大。叶轮旋转平面轴线与水平方向必须保持一定的仰角，这样才能保证在叶轮旋转时叶尖不会与塔筒之间产生干涉。如果叶轮旋转平面轴线与水平方向的仰角不够，当风速过大时叶尖就会与塔筒产生干涉，即出现“桨叶扫塔”的问题。这不仅会影响塔筒的强度，还可能因“扫塔”造成叶片断裂，进一步加剧塔筒“结构失稳”，促成倒塔事故的发生。

因此，在机组设计时，叶轮旋转平面轴线与水平方向必须有足够的仰角。这样，即便是在大风的情况下，叶片经过塔筒也能保证叶尖与塔筒之间有足够的距离，避免“桨叶扫塔”情况的发生。

事故机组出现了“桨叶扫塔”问题，可能存在叶轮旋转平面轴线与水平方向设计的仰角不够问题。因此在机组飞车时，因叶片变形量增加大，叶尖与塔筒之间干涉，从而出现“桨叶扫塔”，引发结构失稳，发生了机组倒塔。

2.2.4 叶轮锁销问题

如图1所示，在《报告》第12页中描述到：“再对叶轮进行叶轮锁锁定，SCADA报出‘发电机锁紧销锁定’，此时叶轮转速约为3.34 rpm,锁定未成功，叶轮转速继续上升。”

现场人员进行叶轮锁销时叶轮转速为3.34rpm，叶轮转速还不算太高。按照正常操作，叶轮旋转进行叶轮锁锁定，确实违反了正常的操作规程。然而，在机组设计时，如果考虑过这种特殊情况下的叶轮锁定问题，此时如叶轮被锁定，或许能避免此次倒塔事故的发生。

如图5、图6所示，分别为两种2.5MW直驱机组的叶轮锁销和锁销孔的设计状况。如图5所示的直驱2.5MW机组的锁销孔状况，设计的锁销孔有12个沿发电机一周均布，即：每隔30°就有一个锁销孔。并且，在叶轮旋转方向的一周设计了与锁销孔齐平的锁销平台。

图5：某2.5MW机直驱组叶轮锁销及锁销孔的设计

图6：另一2.5MW直驱机组叶轮锁销孔的设计

如图5所示的锁销孔设计，当液压站给叶轮锁销以足够的压力时，即便是锁销没有对准锁销孔，当叶轮旋转，锁销在锁销台阶上滑动，当叶轮旋转不超过30°就必然会遇到下一个锁销孔。锁销在液压站强大压力的作用下，锁销自然就被推到销孔之中，叶轮被锁住。如出现本次事故的类似情况，或许能避免事故的发生。然而，如图6所示的叶轮销孔设计，当叶轮旋转时，则锁销就不能顺利地进入锁销孔中。

进行叶轮锁销设计时，在考虑正常叶轮锁定的同时，如适当地考虑到特殊情况下的叶轮锁定，或许在减少类似飞车倒塔事故方面能起到一定的积极作用。

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结语

从本文分析可以看出：现场运维人员缺乏足够的风电专业知识，引发了一系列的错误操作；没有正常穿戴安全带、悬挂安全绳，是造成飞车倒塔及重大伤亡的直接原因。另一方面，通过本次事故分析认识到，机组设计有待在机组运行和维护过程中发现问题，不断完善和改进，使机组设计更加优异。

总之，通过运维人员素质和安全意识的提高，以及机组设计、制造等多方面的改进，可有效减少、甚至杜绝类似事故的再次发生。