文／全國電氣絕緣材料與絕緣技術(shù)系統(tǒng)評定標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會 劉亞麗 郭麗平／

一、前言

近10年風(fēng)力發(fā)電增長迅猛，2001年以來, 全球每年風(fēng)電裝機(jī)容量增長速度為20%～30%[1]。我國風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代末開始起步，截止2011年6月，我國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量44.73吉瓦，超過美國躍居世界第一。在我國風(fēng)力行業(yè)迅猛發(fā)展的形式下，風(fēng)力發(fā)電的安全性、可靠性備受關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。其中發(fā)電機(jī)的主要部分是絕緣系統(tǒng)，絕緣是保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)的制定可從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類、風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的環(huán)境綜合考慮。除滿足發(fā)電機(jī)一般電氣性能和機(jī)械性能要求外，應(yīng)結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的特殊環(huán)境出發(fā)，如運(yùn)行和停機(jī)溫差大、潮濕、鹽霧、低氣壓等，在標(biāo)準(zhǔn)中增加環(huán)境因素（單因子/多因子）老化性能的評定方法。高濕度、高鹽霧、高污穢等極端氣候環(huán)境因素對發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響是一個極其重要的問題，這是其他發(fā)電機(jī)（汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)等）所不具備的條件。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓等級的提高，高海拔（低氣壓）的影響會尤為明顯。

本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類和運(yùn)行環(huán)境兩方面概述制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)著重考慮的因素，并簡要概述風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定的試驗(yàn)方法。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類

按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)型式可分為籠式異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁型同步發(fā)電機(jī)。按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率分為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如表1所示。不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有所不同，制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮不同結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，其額定功率、額定電壓及是否連接變頻器等因素。變流器中快速開關(guān)器件逆變和主動整流的器件，實(shí)測表明在變流器兩側(cè)(電機(jī)和電網(wǎng))都形成陡上升沿脈沖電壓。一些連接變流器與發(fā)電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子的電力電纜最長超過80m，加上電纜與發(fā)電機(jī)線圈的波阻抗不匹配，從而產(chǎn)生重復(fù)脈沖尖峰過電壓作用于電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子線圈。重復(fù)脈沖對電機(jī)定子線圈對地絕緣產(chǎn)生影響，可能造成主絕緣老化，降低電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性。所以在制定評價方法標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)從電機(jī)的額定電壓/功率、是否連接變頻器出發(fā)。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照發(fā)電機(jī)功率分類

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境

在制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)綜合考慮我國地理國情，風(fēng)電場多建設(shè)在東北、華北、西北及東南沿海一帶，風(fēng)力電機(jī)運(yùn)行的自然環(huán)境濕度、溫度和鹽霧條件不同，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來影響，所以在制定標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)特殊的運(yùn)行環(huán)境給電機(jī)絕緣系統(tǒng)帶來的影響。

低溫低濕度環(huán)境

我國東北、華北、西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，十分有利于風(fēng)力發(fā)電。但這些地域廣闊，緯度跨度大，溫度變化巨大。在低溫天氣下，空氣密度增大，風(fēng)電機(jī)組在同風(fēng)速下得輸出功率增大，控制系統(tǒng)處理不當(dāng)，容易出現(xiàn)超發(fā)甚至超負(fù)荷的情況[2]。超負(fù)荷負(fù)載對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)耐電老化產(chǎn)生影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的絕緣系統(tǒng)幾乎完全暴露在戶外氣候狀態(tài)，運(yùn)行溫度范圍是40°C～100°C 。在極端的低溫低濕度氣候條件下，由于頻繁啟停機(jī)導(dǎo)致的溫度變化，溫差高達(dá)120°C左右，冷熱交變在絕緣系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力作用。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓等級及容量的提高，熱機(jī)械應(yīng)力作用更突出，會導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)發(fā)生熱老化，影響電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行?？梢?，制定絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)加入低溫度、低濕度環(huán)境因子老化試驗(yàn)。

雷電沖擊

我國東南沿海和北部山區(qū)是風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，但該地區(qū)地形復(fù)雜，雷暴日較多。雷擊是自然界中對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害。雷電釋放的巨大能量會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等[3]。大功率風(fēng)電機(jī)組葉片頂端可達(dá)高度150m，加上機(jī)組坐落在山丘和開闊區(qū)域，氣流的活動和變化極其頻繁，雷電流產(chǎn)生的過電壓將對低電壓等級、薄絕緣厚度、低耐受電壓水平的風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)造成很大的威脅。這表明耐雷電波沖擊試驗(yàn)，對多雷電地域的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是必須評定的試驗(yàn)。

鹽霧環(huán)境

我國建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電的主要地區(qū)為東南部沿海，但該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，盛行海陸風(fēng)。盛行的海陸風(fēng)把含有鹽分的水汽吹向風(fēng)電場與設(shè)備元器件大面積接觸,

鹽霧中高濃度的NaCl迅速分解為Na+離子和Cl-離子,與金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)酸性的金屬鹽, 在葉片表面形成覆蓋層, 嚴(yán)重影響了葉片氣動性能；并經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)后使設(shè)備原有的強(qiáng)度遭到破壞, 生成氧化合物使電氣觸點(diǎn)接觸不良, 導(dǎo)致電氣設(shè)備故障或毀壞, 使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的承受最大載荷的能力大大降低, 使設(shè)備不能達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行要求, 給設(shè)備安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果。給風(fēng)場的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成大的影響[4]。高鹽霧導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生故障或毀壞，所以制定標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)考慮鹽霧對風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)可靠性運(yùn)行的影響。

四、風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定的試驗(yàn)方法

考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行環(huán)境建議絕緣系統(tǒng)評定的試驗(yàn)方法包括電氣老化評定、環(huán)境因素評定（單因子/多因子老化評定）。

1.電氣老化評定方法

電氣老化評定可包括工頻電老化試驗(yàn)和重復(fù)脈沖電老化。

（1）工頻電老化

工頻電老化試驗(yàn)，典型的脈沖電壓壽命與時間的關(guān)系曲線為：t=6.82×106(U/UΦ)

其中：U/UΦ——剩余安全裕度，當(dāng)U/UΦ=1.5時，即1.5UΦ（或0.87UN）電壓下，使用壽命可預(yù)期達(dá)到約43年。

（2）重復(fù)脈沖電老化

對于重復(fù)脈沖電老化試驗(yàn)，電老化壽命和電壓幅值的一種形式關(guān)系可通過反冪律來表示：L=kU-n

其中：L——壽命，即試品達(dá)到特定失效概率的時間或脈沖重復(fù)次數(shù)；U——施加的重復(fù)脈沖電壓最大峰值；n——電壓老化指數(shù)（VEC）；k——常量。

也可用其他的形式來表示電老化壽命與電壓幅值的關(guān)系。例如，指數(shù)模型：L=Ae-hu

其中：A和h是常量。

2.環(huán)境因素評定（單因子/多因子老化評定）

影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的環(huán)境因素包括高濕度、高低溫變、鹽霧、污穢、高海拔（或低氣壓）等，由于發(fā)電機(jī)環(huán)境條件的多樣化和特殊性，可規(guī)定環(huán)境因素主要包括高濕度、高低溫變、鹽霧環(huán)境等單因子/多因子老化試驗(yàn)。

五、結(jié)語

本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類和運(yùn)行環(huán)境兩方面出發(fā)，論述了制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)著重考慮的問題，并概述性提出評定風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，可為風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)評定方法標(biāo)準(zhǔn)的制定提出參考性建議。

[1] 程明,張運(yùn)乾,張建忠.風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(3):1-9.

[2] 孫鵬,王峰,康智俊.低溫對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行影響分析.內(nèi)蒙古電力技術(shù),2008,26(5):8-10.

[3] 王帥.自然環(huán)境對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的影響分析.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009,5(6):214-218.

[4] 梁志強(qiáng),莫銀鋒,李添賓.鹽霧對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的危害及對策.華人風(fēng)電論壇.