高海拔風電機組發(fā)電機設計要求

謝生清

（新疆金風科技股份有限公司，新疆烏魯木齊，831800）

高海拔風電機組發(fā)電機設計要求

謝生清

（新疆金風科技股份有限公司，新疆烏魯木齊，831800）

本文針對高海拔環(huán)境特點，介紹了高海拔環(huán)境對風力發(fā)電機的影響。從影響發(fā)電機散熱和絕緣兩個最主要因素的角度，闡述了高原型發(fā)電機散熱設計技術要求，分析說明了發(fā)電機電氣絕緣、電氣間隙、耐受電壓修正及設計要求，對高原型風力發(fā)電機設計具有指導意義。

高海拔；發(fā)電機；散熱；溫升補償；絕緣

引言

目前我國已開發(fā)的風電工程項目85%以上集中在非高海拔區(qū)域［1-2］，而作為風資源相對較好的西部、西南高海拔地區(qū)（如青海、西藏、云南等區(qū)域），盡管近幾年各風電開發(fā)商陸續(xù)開發(fā)了一些高原風場，但從其總量而言，風電工程項目比重還是較少，仍有較大的潛力。以上區(qū)域理論可開發(fā)容量和工程可開發(fā)容量巨大，具有規(guī)?；_發(fā)的資源條件和環(huán)境條件。

建設在高海拔地區(qū)的風場所采用的風電機組與非高海拔地區(qū)有所不同。在非高海拔地區(qū)使用的風力發(fā)電機，并不會因為海拔的差異而制定特殊的設計要求。

對于安裝在高海拔地區(qū)的風力發(fā)電機，由于海拔高度較高，空氣密度、大氣壓力、氣溫、空氣濕度等都發(fā)生了變化，從而對該區(qū)域使用的發(fā)電機提出了新的要求，從設計上需要做適應性的特殊設計才能保證電機在該環(huán)境條件下正常工作。為便于讀者了解高海拔環(huán)境對風力發(fā)電機的影響以及高原風電機組發(fā)電機設計特點，本文對適用于高海拔地區(qū)的高原型發(fā)電機設計要求進行了分析。

1 高海拔地區(qū)主要氣候特點

高海拔地區(qū)具有較惡劣的自然氣候條件，對電氣電機類設備性能影響較大，其特點包括：

（1）空氣密度較低（大氣壓低）；

（2）空氣溫度較低，氣溫日變化劇烈；

（3）日照時間長，太陽輻射強；

（4）空氣絕對濕度較小；

（5）年降水量較?。?/p>

（6）空氣干燥、雷暴日較多，土壤電阻率較高；

（7）每年大風日較多。

我國高原電工產(chǎn)品環(huán)境技術標準化技術委員會等歸口機構(gòu)做了大量高海拔的研究工作，高原環(huán)境條件參數(shù)詳見表1（符合GB/T 20626.1-2006）。

2 高海拔氣候條件對風力發(fā)電機的影響

2.1空氣密度低對發(fā)電機外絕緣強度與電氣間隙的影響

表1　高原環(huán)境條件參數(shù)

海拔增高，空氣密度降低，導致電工產(chǎn)品外絕緣強度降低。對發(fā)熱較大的發(fā)電機設備、變壓器等影響較為顯著，尤其是同時出現(xiàn)高相對濕度時的情況更為嚴重。大氣壓力或空氣密度的降低，引起發(fā)電機外絕緣強度的降低，在標準海拔至5000 m范圍內(nèi)，每升高1000 m，平均氣壓降低7.7 kPa ～ 10.5 kPa，外絕緣強度降低8%～13%。同時，高海拔時具有較大的日溫差，容易使電機設備發(fā)生凝露，促進腐蝕，降低表面電阻，從而使絕緣強度降低。風力發(fā)電機在高原氣候條件下工作時，電機的絕緣性將降低，給人員及設備安全均帶來不利影響。

隨著高海拔繼續(xù)增高，空氣壓力降低，電機繞組的起始電暈電壓也降低［3，4］。根據(jù)帕邢定律：在均勻電場中，擊穿電壓與電極距離和氣壓的乘積成正比。在高海拔地區(qū)，如果不提高發(fā)電機的設計電氣間隙，發(fā)電機的擊穿電壓等級將會下降，設備的性能將無法得到保證。

2.2空氣密度降低對發(fā)電機溫升的影響

在高海拔地區(qū)，由于環(huán)境大氣密度降低，使以空氣對流為主要散熱方式的電氣產(chǎn)品散熱困難，溫升增加。海拔增高，環(huán)境溫度降低，有時可部分補償因海拔升高所引起的產(chǎn)品溫升增加值，但由于不同產(chǎn)品的散熱特點不同、工作時產(chǎn)生的發(fā)熱量不同，高海拔氣候條件對設備溫升仍有不同程度的影響。目前風力發(fā)電機一般都是兆瓦級，發(fā)電機在運行時，會產(chǎn)生大量的熱，冷卻散熱方式多是自然通風冷卻或強迫風冷。對于設備溫升，昆明電器科學研究所驗證：在海拔5000 m以內(nèi)，每升高1000 m，設備溫升增加3%～10%。對于空氣自然對流散熱冷卻的電氣設備，其溫升增加可能會小一些；對于強迫通風冷卻的電氣設備，其溫升增加可能會大一些。海拔每升高100 m，一般電氣產(chǎn)品溫升增加最大0.4 K，發(fā)電機設備溫升增加額定值的1%。

3 高原風電機組發(fā)電機設計要求

3.1電氣絕緣設計要求

由于高海拔地區(qū)氣壓的降低，發(fā)電機電暈電壓減小，設備絕緣強度降低，因此需要對發(fā)電機繞組的絕緣進行優(yōu)化，以提高絕緣強度。絕緣強度的提高措施主要包括絕緣材料的選擇、絕緣結(jié)構(gòu)的設計等。如采用耐電暈漆包線，并在定子槽內(nèi)噴耐電暈絕緣漆，增加繞組的槽滿率，若間隙大則可以在繞組和槽間安裝防電暈波紋板，槽內(nèi)墊條采用防電暈材料等。加強絕緣強度，提高繞組的起暈電壓，使發(fā)電機組滿足在高海拔地區(qū)長期、安全可靠地運行，電機繞組起暈電壓與大氣氣壓關系為:

其中：

Ukh——海拔在h處時電機起暈電壓；Uko——標準大氣壓下電機起暈電壓；p——在海拔高度為h處的大氣氣壓（設計時選取值參見表1）； t——風力發(fā)電機組安裝點的最高氣溫。

3.2電氣間隙修正

對于高原型風力發(fā)電機設計，應按要求增大電氣間隙，其設計修正系數(shù)按照表2執(zhí)行（滿足GB/T 20626.1-2006，高原電工產(chǎn)品）。

對于安裝在高海拔的風力發(fā)電機，電氣絕緣距離與海拔高度的關系式為

其中：

LM——海拔H處的電氣絕緣距離；Lo——標準大氣壓下設計的基準電氣間隙；K1——電氣間隙修正系數(shù)；下標H為風力發(fā)電機組安裝的海拔高度。

表2　電氣間隙修正系數(shù)表

3.3工頻耐受電壓和沖擊耐受電壓設計要求

在海拔2000 m以上高原環(huán)境條件下使用的高原型發(fā)電機設備，應具備產(chǎn)品性能所要求的工頻耐受電壓能力和沖擊耐受電壓能力。耐受電壓值應符合常規(guī)性發(fā)電機產(chǎn)品標準的要求，同時當風力發(fā)電機安裝的地點海拔和測試試驗地點海拔不同時，試驗電壓值應乘以修正系數(shù)。高原風力發(fā)電機的工頻耐受電壓、沖擊耐受電壓宜按表規(guī)定確定的修正系數(shù)進行試驗修正（符合GB/T 20626.1-2006，高原電工產(chǎn)品），如表3所示。

對于安裝在高海拔的風力發(fā)電機，試壓電壓與海拔高度的關系式為:

其中：

U0——標準大氣壓下額定試驗電壓；Ka——海拔修正系數(shù)；下標H為風力發(fā)電機組安裝的海拔高度。

表3　頻耐受電壓和沖擊耐受電壓的海拔修正系數(shù)表

3.4 發(fā)電機溫升設計要求

隨著海拔高度的增加，大氣壓強逐漸降低，空氣密度減少，因此單位空氣的比熱容降低，從而造成發(fā)電機散熱效率的降低［5］。發(fā)電機在工作中，繞組導致電流通過，從而產(chǎn)生熱量。在電壓恒定的條件下，功率同電流成正比關系，而繞組的發(fā)熱（即銅損）同電流的平方成正比，那么發(fā)電機的發(fā)熱量同功率的平方成正比關系，即當風電機組達到滿發(fā)時，發(fā)熱量最大。

發(fā)電機溫升設計要求如下：

（1）對于高原型風力發(fā)電機，在高原環(huán)境條件使用時，發(fā)電機設計溫升限值不應超過常規(guī)型相應產(chǎn)品標準規(guī)定的值，同時也不應超過GB7251中對應的產(chǎn)品標準規(guī)定的溫升限值；

（2）若環(huán)境溫度的降低值能夠補償電機散熱不良而引起的溫升增加值，或者發(fā)電機溫升裕量較大，測試計算后溫升仍低于絕緣材料允許溫升，那么設計的發(fā)電機產(chǎn)品額定容量或額定電流值可以保持不變，風電機組可以按照原負荷運行；

（3）若發(fā)電機溫升的增加值不能被環(huán)境溫度的降低值所補償，尤其當風電機組負荷不能減小，但溫升又肯定增加時，則應提高發(fā)電機散熱能力，重新設計散熱冷卻系統(tǒng)，加大設備散熱功率、提高散熱效率等措施，或者也可以用提高電機絕緣材料等級的辦法來解決。此外，對于高原發(fā)電機的溫升設計，理論估算不能完全作為最后定論，要以試驗值作為定論依據(jù)。

4 結(jié)束語

我國高海拔地區(qū)面積寬廣，高原風機相關的國家標準在逐步建立與完善中，由于環(huán)境條件對電機電氣設備的正常工作影響很大，且在高海拔使用的風力發(fā)電機屬高發(fā)熱的電氣設備，因此，在高海拔地區(qū)安裝的風機，要進行相應的高原適應性設計與優(yōu)化。本文通過高海拔環(huán)境對風力發(fā)電機的影響分析，結(jié)合高原電氣電工產(chǎn)品國標要求，主要從電氣絕緣修正、發(fā)電機工頻/沖擊耐受電壓、發(fā)電機溫升幾個方面對高原型風力發(fā)電機設計要求進行了概要說明。除此之外，高海拔環(huán)境對金屬結(jié)構(gòu)件的抗低溫型和冷熱沖擊、絕緣材料的耐低溫性能等也有影響。

在工程實際問題中，除了設計要求外，還要輔助相應的高原環(huán)境適應性試驗，使產(chǎn)品的技術性能和可靠性真正達到高原使用要求。

［1］GB/T20626.1-2006. 高原電工電子產(chǎn)品通用技術要求［S］.

［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］邵平安. 高海拔異步風力發(fā)電機設計解析［J］. 電機與控制應用，2011， 38（5）:47-50.

［4］王富， 王杰， 徐學淵. 高原風力發(fā)電機組的設計及改進［J］. 電站輔機， 2009， 30（3）:19-22.

［5］白樹華， 盧繼平. 西藏高原環(huán)境對風力發(fā)電的影響分析［J］. 電網(wǎng)技術， 2006（S1）:5-8.

謝生清（1977-），男，漢族，風電系統(tǒng)設計工程師，從事風電機組的開發(fā)、設計及產(chǎn)品技術管理工作。

E-mail: xieshengqing@goldwind.com.cn

Design Requirements of High Altitude Wind Turbine Generator

Shengqing Xie（Xinjiang Goldwind Science &Technology Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang， 831800， China）

This article describes the effects of high altitude environments for wind turbine， according to the characteristics of high altitude environment， from the scope of two most important factors - influence of the generator cooling and insulation， and expounding the thermal design requirement for high altitude generator. Also， analyze and expound the correction and design requirements of generator electrical insulation， clearances， and withstand voltage. This paper has instructive significance for the design of high altitude wind turbine.

High Altitude； Generator； Heat Dissipation； Temperature Rise Compensation； Insulation

TM614

B

2095-8412 （2016） 04-711-04

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.034