编号：SY-AQ-07153
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大型风力发电机组控制系统的
安全保护功能
Safety protection function of control system for large wind turbine
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安全管理
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大型风力发电机组控制系统的安全
保护功能
1制动功能
制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，在硬件上主要
由叶尖气动刹车和盘式高速刹车构成，由液压系统来支持工作。制
动功能的设计一般按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保
护状态。在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控
制器根据机组发生的故障种类判断，分别发出控制指令进行正常停
机、安全停机以及紧急停机等处理，叶尖气动刹车和盘式高速刹车
先后投入使用，达到保护机组安全运行的目的。
2独立安全链
系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制
系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑
导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。在安全管
理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关
系更直接，显得更为突出。
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设计，将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回
路，当安全链动作后，将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间
脱网，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安
全链：叶轮过速、看门狗、扭缆、24V电源失电、振动和紧急停机
按钮动作。
3防雷保护
多数风机都安装在山谷的风口处或海岛的山顶上，易受雷击，
安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其控制系统
最容易因雷电感应造成过电压损害，因此在600kW风力发电机组控
制系统的设计中专门做了防雷处理。使用避雷器吸收雷电波时，各
相避雷器的吸收差异容易被忽视，雷电的侵入波一般是同时加在各
相上的，如果各相的吸收特性差异较大，在相间形成的突波会经过
电源变压器对控制系统产生危害。因此，为了保障各相间平衡，我
们在一级防雷的设计中使用了3个吸收容量相同的避雷器，二、三
级防雷的处理方法与此类同。控制系统的主要防雷击保护：①主电
路三相690V输入端（即供给偏航电机、液压泵等执行机构的前段）
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做了一级防雷保护；②对控制系统中用到的两相220V电压输出端
（电磁阀、断路器、接触器和UPS电源等电子电路的输入端）采取
二级防雷措施；③在电量采集通信线路上安装了通信避雷器加以保
护；④在中心控制器的电源端口增加了三级防雷保护。
4硬件保护
硬件本身的保护措施主要采取了3种方法：硬件互锁电路、过
电压以及过电流保护。
①风力发电机组中的左、右偏航电机和大、小发电机只有一个
可以运行，我们通过接触器辅助触点的互联对其进行了互锁。例如：
左右偏航电机接触器正常情况下处于断开状态，其各自的辅助触点
处于闭合状态。我们将左偏航电机的辅助触点传接到右偏航电机回
路里，右偏航电机的辅助触点串接到左偏航电机回路里；当机组需
要左偏航时，左偏航接触器带电，而串在右偏航电机回路里的左偏
航接触器辅助触点断开，从而保障了正确的偏航。当由于误动作引
起左右偏航电机接触器都带电时，它们的辅助触点都断开，机组不
进行偏航，从而达到了保护机组安全运行的目的。
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②在设计时，对断路器、接触器等选件都进行了负荷计算。选
择的原则：既留有裕量也不会使执行机构等受到冲击，当有瞬时冲
击电流通过电缆传入控制柜时，控制系统具有自我保护的能力。
③通过将快速熔断器、速断保护的断路器（根据各自的负荷计
算允许通过的电流）等串在执行机构的前端，防止了大电流流过回
路，从而减少了不必要的损害。
5接地保护
在整个控制系统中用了以下5种接地方式，来达到安全保护的
目的。
①工作接地。变压器的中性点设置接地。
②保护接地。为了防止控制系统的金属外壳在绝缘被破坏时可
能带电，以致危及人身安全而设置的接地。
③防雷接地。避雷器的一端与控制系统中被保护的设备相连，
另一端连接到地下，能把雷电流引入大地。
④防静电接地。将控制系统中的金属可导电部分在工作过程中
产生的静电电流引入大地。
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⑤屏蔽接地。为防止外界磁场对流经电缆的信号产生影响，设
计时选用了屏蔽电缆，并将电缆屏蔽层接地。
6电网掉电保护UPS电源
风力发电机组离开电网的支持是无法工作的，一旦有突发故障
而停电时，控制计算机由于失电会立即终止运行，并失去对风机的
控制，控制叶尖气动刹车和机械刹车的电磁阀就会立即打开，液压
系统会失去压力，制动系统动作，执行紧急停机。紧急停机意味着
在极短的时间内，风机的制动系统将风机叶轮转数由运行时的额定
转速变为零。大型的机组在极短的时间内完成制动过程，将会对机
组的控制系统、齿轮箱、主轴和叶片以及塔架产生强烈的冲击。紧
急停机的设置是为了在出现紧急情况时保护风电机组安全的。然而，
电网故障无须紧急停机；突然停电往往出现在天气恶劣、风力较强
时，紧急停机将会对风机的寿命造成一定影响；风机主控制计算机
突然失电就无法将风机停机前的各项状态参数及时存储下来，这样
就不利于迅速对风机发生的故障作出判断和处理。针对上述情况，
对控制电路作了相应的改进。在控制系统电路中加设了一台1kVA的
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在线UPS后备电源，这样当电网突然停电时，UPS机及时投入，为
风机的控制系统提供足够的动力，使风机制动系统按正常程序完成
停机过程。
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