高原環(huán)境對風力發(fā)電變流器的影響分析

羅 成，胡佑群，蔣耀生，張東輝

(中國南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業(yè)部，湖南株洲 412001)

高原環(huán)境對風力發(fā)電變流器的影響分析

羅 成，胡佑群，蔣耀生，張東輝

(中國南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業(yè)部，湖南株洲 412001)

針對高原地區(qū)(海拔2 000 m以上)環(huán)境影響風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行的問題，闡述了高原環(huán)境空氣密度和氣壓對風機容量、絕緣強度、電暈、放電電壓、開關電器滅弧性能的影響程度，提出了風力發(fā)電變流器材料、產(chǎn)品機械結構、密封、產(chǎn)品溫升及除濕方面在環(huán)境溫度影響下相應的改進方法，以適應高原環(huán)境發(fā)電機組運行需求。

風力發(fā)電;變流器;高原

0 引言

隨著中國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高原地區(qū)(海拔2 000 m以上)風資源較好的省份，如云南、貴州、青海等地也相繼規(guī)劃了風電場的建設，建設地海拔較高。由于常規(guī)風電機組是按海拔2 000 m以下設計的，高原風電場的氣候條件與一般風電場有很大差異，風力發(fā)電變流器須進行環(huán)境適應性改進設計［1－2］。因此，本文根據(jù)高原環(huán)境的特點，分析了環(huán)境對風力發(fā)電變流器的影響，提出了風力發(fā)電變流器幾個方面在環(huán)境溫度影響下相應的改進方法。

1 空氣密度變化的影響

中國探明風能理論儲量為32.26億kW，陸地可開發(fā)利用風能為2.53億kW，近?？衫蔑L能為7.5億kW［3］。中國風能資源豐富的北部、西北大部分為高原環(huán)境，如內(nèi)蒙古、遼寧、青海、新疆的一些地區(qū)，以及青藏高原北部風能資源貯備較多的地區(qū)，海拔大多數(shù)在2 000 m以上［4］。

隨著海拔高度的逐漸升高，大氣壓力和空氣密度會隨之逐漸降低。在溫度相同條件下，空氣密度與氣壓成正比，高原空氣密度只有平原地區(qū)的75%～80%。根據(jù)氣體狀態(tài)方程式求得空氣密度與海拔高度的關系式為

式中:ρH為海拔高度H時的空氣密度，kg/m3;ρ0為標準狀態(tài)下空氣密度，海平面在0℃條件下空氣的密度是1.292 kg/m3;H為海拔高度，m;T0為絕對溫度，為273 K;α為空氣溫度梯度，約為0.006 5 K/m。

空氣密度的減少和氣壓降低對電氣設備的絕緣強度和外絕緣性能等方面都會有較大影響。

1.1 風機容量

氣體輸出功率為

式中:P為氣體的輸出功率，kVA;υ為風速，m;Ad為風輪橫截面積，m2;ρ為空氣密度，kg/m3;a為致動盤處的軸流誘導因子。

由式(2)可知，隨著空氣密度的降低，大氣的輸出功率也隨之降低。表1為高原環(huán)境條件參數(shù)。根據(jù)表1中空氣密度隨海拔高度的變化，可以得出大氣輸出功率的修正曲線。

表1 高原環(huán)境條件參數(shù)

1.2 絕緣強度

高原環(huán)境對絕緣強度的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:空氣壓力或空氣密度的降低在電場中更容易發(fā)生電離，從而導致絕緣性能的下降;氣壓的降低使在低海拔生產(chǎn)的塑性絕緣材料內(nèi)的氣泡擴張，使絕緣材料局部放電加大，絕緣性能變差，加快老化。

表2為電氣間隙海拔高度修正系數(shù)。高原環(huán)境上的變流器需根據(jù)其具體使用地點的海拔高度來確定其絕緣強度，絕緣的電氣間隙修正系數(shù)按表2進行修正，確定其絕緣介質(zhì)的電氣間隙。

表2 電氣間隙海拔高度修正系數(shù)

1.3 電暈及放電電壓

高原環(huán)境對電暈及放電電壓的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面:高原低氣壓使高壓電器的局部放電起始電壓、電暈起始電壓降低，電暈腐蝕加重;高原低氣壓使電力電容器內(nèi)部氣壓下降，導致局部放電起始電壓降低;高原低氣壓使避雷器內(nèi)腔電壓降低，導致工頻放電電壓降低。

應用高原環(huán)境中變流器內(nèi)的電容、壓敏電阻、避雷器等應充分考慮高海拔高度低氣壓帶來的放電電壓降低的影響。

1.4 開關電器滅弧性能

高原環(huán)境對開關電器滅弧性能的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面:空氣壓力或空氣密度的降低使空氣介質(zhì)滅弧的開關電器滅弧性能降低、通斷能力下降和電器壽命縮短;直流電弧的燃弧時間隨海拔升高或氣壓降低而延長;直流與交流電弧的飛弧距離隨海拔升高或氣壓降低而增加。

2 溫度變化的影響

相同地理緯度的氣溫隨著海拔高度的升高而降低，平均海拔高度每升高100 m，氣溫約降低0.60℃。如海拔高度在4 500 m以上的高原，年平均氣溫下降到－21℃，極端最高氣溫僅22℃，最低氣溫可達到－40℃以下。

隨著海拔高度的增加，氣溫的年平均溫差較小，日差較大。由表1可知，海拔變化從0～5 000 m，氣溫年差平均在50℃左右。高原地區(qū)早晚和中午的氣溫差可能會達到30℃左右，平原地區(qū)一般在15℃之內(nèi)。溫度的降低及其日差較大對變流器的結構及材料等方面都會產(chǎn)生較大影響。

2.1 材料

高原環(huán)境具有低溫、低氣壓、低空氣密度、絕對濕度低、高潮濕、溫差大、強太陽輻射、高雷暴等特點。變流器應針對高原環(huán)境條件，選用耐候性和結構性能穩(wěn)定的材料，滿足產(chǎn)品性能、安全、可靠性和使用壽命等要求。同時，還需要考慮以下因素:

1)空氣壓力或空氣密度降低引起低密度、低濃度、多孔性材料(如電工絕緣材料、隔熱材料等)的物理和化學性質(zhì)變化，使塑料制品中增塑劑的揮發(fā)加速;內(nèi)外壓力差的增大使氣體或液體易從密封容器中泄漏或泄露率增大，間接影響到電氣性能。

2)較大的溫度變化使產(chǎn)品外殼容易變形、龜裂，密封結構容易破裂;溫差大而且溫度變化快使設備表面容易產(chǎn)生凝露，在低氣壓、污穢等綜合作用下，產(chǎn)品外殼絕緣強度急劇下降，極易產(chǎn)生運行電壓的絕緣閃絡事故。另外，高潮濕環(huán)境將造成風機內(nèi)部凝露，對電氣設備絕緣造成影響。

3)太陽熱輻射的增加引起較大的表面附加溫升，降低有機絕緣材料的材質(zhì)性能，使材料變形，產(chǎn)生機械熱應力;強紫外線引起有機絕緣材料加速老化，使空氣容易電離而導致外絕緣強度和電暈起始電壓降低，強紫外線對風機外漆影響嚴重，風機必須使用抗紫外線漆;塑料絕緣件在強紫外線下老化加快。另外，材料在低溫下會變脆，特別是金屬材料。

由此可見，選材料時，應采用耐低溫配方、對紫外線及宇宙射線不敏感的材料，或選添加紫外線吸收劑的材料，采用對臭氧不敏感的材料。

2.2 產(chǎn)品機械結構和密封

高原環(huán)境對產(chǎn)品機械結構和密封的影響如下:

1)內(nèi)外壓力差的增大使氣體或液體易從密封容器中泄漏或泄漏率增大，會影響有密封要求產(chǎn)品的電氣性能。

2)高海拔空氣溫度的日溫差較大，較大的溫度變化使產(chǎn)品外殼容易變形、龜裂，密封結構容易破裂。

3)晝夜溫差大使溫度變化較快，設備外絕緣表面容易產(chǎn)生凝露，在低氣壓、污穢等綜合作用下，絕緣強度急劇下降，極易產(chǎn)生運行電壓的絕緣閃絡事故。

總之，應對變流器機柜做密封處理、防凝露設計;采用較高的防護等級，如IP54等;變流器機柜門采用防雨槽結構，避免臟污和液體沉積在密封件上，防止凝露滲入機柜;進出線采用分級套管防護。

2.3 產(chǎn)品溫升及除濕

高原環(huán)境對產(chǎn)品溫升及除濕的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面:

1)空氣壓力或空氣密度的降低引起空氣介質(zhì)冷卻效應的降低。

2)以自然對流、強迫通風或空氣散熱為主要散熱方式的產(chǎn)品，其散熱能力下降使溫升增加。

3)高潮濕環(huán)境將造成風機內(nèi)部凝露，對電氣設備絕緣造成影響。

因此，需改善變流柜內(nèi)的通風設計，加大散熱風扇和加熱器功率，并對通風罩做防水處理，防止凝露，保持柜內(nèi)干燥;變流柜長時間斷電后啟動時，加熱系統(tǒng)獨立控制加熱，當變流柜內(nèi)濕度、溫度達到啟動要求后，電控系統(tǒng)才能接通電源啟動。

3 結論

上述分析表明，為了保證高原環(huán)境風電場的安全穩(wěn)定運行，需要對該地區(qū)的風機等電氣設備進行優(yōu)化，分析高原環(huán)境對風力發(fā)電變流器的影響，提出相關的改進方法，以利于在設計及建設過程中摸索出高原型風電機組的特性。

［1］李德龍.高原型氣候?qū)﹄姎庠O備的影響［J］.青海大學學報(自然科學版)，2009，27(4):71 －74.

［2］陳開運.高海拔電氣設備工作特點及設計要求［J］.機車電傳動，2005(2):19－22.

［3］李亞西，武鑫，趙斌，等.世界風力發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.太陽能，2004(1):6－7.

［4］段英濤.在青藏高原建設風力發(fā)電場的特殊性［J］.可再生能源，2008，26(3):115 －116.

Influence of plateau environment on converter for wind power generation

LUO Cheng，HU Youqun，JIANG Yaosheng，ZHANG Donghui
(Wind Power Department of CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd，Zhuzhou 412001，China)

Aiming at the influence of plateau environment(2 000 m above sea level)on the stable running of wind power unit，this paper expounds the influence of air density and pressure in plateau environment on capacity of fan，insulation strength，corona and discharge voltage and arc quenching performance in switchgear，and proposes relevant improvement plan for converter material，mechanical structure，seal，temperature increase and dehumidification according to temperature in order to adapt to the requirement for wind unit running in plateau environment.

wind power generation;converter;plateau

TM614

A

1002－1663(2012)02－0152－03

2011－11－26

羅 成(1984－)，男，2008年畢業(yè)于湖南工業(yè)大學電力電子與電力傳動專業(yè)，碩士，主要從事風力發(fā)電變流器的研發(fā)工作。

(責任編輯 侯世春)