謝生清

（新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆烏魯木齊，831800）

高海拔風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求

謝生清

（新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆烏魯木齊，831800）

本文針對(duì)高海拔環(huán)境特點(diǎn)，介紹了高海拔環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響。從影響發(fā)電機(jī)散熱和絕緣兩個(gè)最主要因素的角度，闡述了高原型發(fā)電機(jī)散熱設(shè)計(jì)技術(shù)要求，分析說明了發(fā)電機(jī)電氣絕緣、電氣間隙、耐受電壓修正及設(shè)計(jì)要求，對(duì)高原型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

高海拔；發(fā)電機(jī)；散熱；溫升補(bǔ)償；絕緣

引言

目前我國(guó)已開發(fā)的風(fēng)電工程項(xiàng)目85%以上集中在非高海拔區(qū)域［1-2］，而作為風(fēng)資源相對(duì)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(fēng)電開發(fā)商陸續(xù)開發(fā)了一些高原風(fēng)場(chǎng)，但從其總量而言，風(fēng)電工程項(xiàng)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)模化開發(fā)的資源條件和環(huán)境條件。

建設(shè)在高海拔地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)所采用的風(fēng)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，并不會(huì)因?yàn)楹０蔚牟町惗贫ㄌ厥獾脑O(shè)計(jì)要求。

對(duì)于安裝在高海拔地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(duì)該區(qū)域使用的發(fā)電機(jī)提出了新的要求，從設(shè)計(jì)上需要做適應(yīng)性的特殊設(shè)計(jì)才能保證電機(jī)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響以及高原風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，本文對(duì)適用于高海拔地區(qū)的高原型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析。

1 高海拔地區(qū)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)

高海拔地區(qū)具有較惡劣的自然氣候條件，對(duì)電氣電機(jī)類設(shè)備性能影響較大，其特點(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)，太陽輻射強(qiáng)；

（4）空氣絕對(duì)濕度較?。?/p>

（5）年降水量較??；

（6）空氣干燥、雷暴日較多，土壤電阻率較高；

（7）每年大風(fēng)日較多。

我國(guó)高原電工產(chǎn)品環(huán)境技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等歸口機(jī)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響

2.1空氣密度低對(duì)發(fā)電機(jī)外絕緣強(qiáng)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(dǎo)致電工產(chǎn)品外絕緣強(qiáng)度降低。對(duì)發(fā)熱較大的發(fā)電機(jī)設(shè)備、變壓器等影響較為顯著，尤其是同時(shí)出現(xiàn)高相對(duì)濕度時(shí)的情況更為嚴(yán)重。大氣壓力或空氣密度的降低，引起發(fā)電機(jī)外絕緣強(qiáng)度的降低，在標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度降低8%～13%。同時(shí)，高海拔時(shí)具有較大的日溫差，容易使電機(jī)設(shè)備發(fā)生凝露，促進(jìn)腐蝕，降低表面電阻，從而使絕緣強(qiáng)度降低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高原氣候條件下工作時(shí)，電機(jī)的絕緣性將降低，給人員及設(shè)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(jī)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(chǎng)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(jī)的設(shè)計(jì)電氣間隙，發(fā)電機(jī)的擊穿電壓等級(jí)將會(huì)下降，設(shè)備的性能將無法得到保證。

2.2空氣密度降低對(duì)發(fā)電機(jī)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(duì)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(shí)可部分補(bǔ)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(diǎn)不同、工作時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量不同，高海拔氣候條件對(duì)設(shè)備溫升仍有不同程度的影響。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般都是兆瓦級(jí)，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，冷卻散熱方式多是自然通風(fēng)冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷。對(duì)于設(shè)備溫升，昆明電器科學(xué)研究所驗(yàn)證：在海拔5000 m以內(nèi)，每升高1000 m，設(shè)備溫升增加3%～10%。對(duì)于空氣自然對(duì)流散熱冷卻的電氣設(shè)備，其溫升增加可能會(huì)小一些；對(duì)于強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的電氣設(shè)備，其溫升增加可能會(huì)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(jī)設(shè)備溫升增加額定值的1%。

3 高原風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求

3.1電氣絕緣設(shè)計(jì)要求

由于高海拔地區(qū)氣壓的降低，發(fā)電機(jī)電暈電壓減小，設(shè)備絕緣強(qiáng)度降低，因此需要對(duì)發(fā)電機(jī)繞組的絕緣進(jìn)行優(yōu)化，以提高絕緣強(qiáng)度。絕緣強(qiáng)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(shè)計(jì)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(qiáng)絕緣強(qiáng)度，提高繞組的起暈電壓，使發(fā)電機(jī)組滿足在高海拔地區(qū)長(zhǎng)期、安全可靠地運(yùn)行，電機(jī)繞組起暈電壓與大氣氣壓關(guān)系為:

其中：

Ukh——海拔在h處時(shí)電機(jī)起暈電壓；Uko——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下電機(jī)起暈電壓；p——在海拔高度為h處的大氣氣壓（設(shè)計(jì)時(shí)選取值參見表1）； t——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝點(diǎn)的最高氣溫。

3.2電氣間隙修正

對(duì)于高原型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)按要求增大電氣間隙，其設(shè)計(jì)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(duì)于安裝在高海拔的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電氣絕緣距離與海拔高度的關(guān)系式為

其中：

LM——海拔H處的電氣絕緣距離；Lo——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電氣間隙；K1——電氣間隙修正系數(shù)；下標(biāo)H為風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)設(shè)備，應(yīng)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(yīng)符合常規(guī)性發(fā)電機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝的地點(diǎn)海拔和測(cè)試試驗(yàn)地點(diǎn)海拔不同時(shí)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)乘以修正系數(shù)。高原風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行試驗(yàn)修正（符合GB/T 20626.1-2006，高原電工產(chǎn)品），如表3所示。

對(duì)于安裝在高海拔的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，試壓電壓與海拔高度的關(guān)系式為:

其中：

U0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下額定試驗(yàn)電壓；Ka——海拔修正系數(shù)；下標(biāo)H為風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)溫升設(shè)計(jì)要求

隨著海拔高度的增加，大氣壓強(qiáng)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(jī)散熱效率的降低［5］。發(fā)電機(jī)在工作中，繞組導(dǎo)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(guān)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(jī)的發(fā)熱量同功率的平方成正比關(guān)系，即當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到滿發(fā)時(shí)，發(fā)熱量最大。

發(fā)電機(jī)溫升設(shè)計(jì)要求如下：

（1）對(duì)于高原型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在高原環(huán)境條件使用時(shí)，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)溫升限值不應(yīng)超過常規(guī)型相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值，同時(shí)也不應(yīng)超過GB7251中對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值；

（2）若環(huán)境溫度的降低值能夠補(bǔ)償電機(jī)散熱不良而引起的溫升增加值，或者發(fā)電機(jī)溫升裕量較大，測(cè)試計(jì)算后溫升仍低于絕緣材料允許溫升，那么設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品額定容量或額定電流值可以保持不變，風(fēng)電機(jī)組可以按照原負(fù)荷運(yùn)行；

（3）若發(fā)電機(jī)溫升的增加值不能被環(huán)境溫度的降低值所補(bǔ)償，尤其當(dāng)風(fēng)電機(jī)組負(fù)荷不能減小，但溫升又肯定增加時(shí)，則應(yīng)提高發(fā)電機(jī)散熱能力，重新設(shè)計(jì)散熱冷卻系統(tǒng)，加大設(shè)備散熱功率、提高散熱效率等措施，或者也可以用提高電機(jī)絕緣材料等級(jí)的辦法來解決。此外，對(duì)于高原發(fā)電機(jī)的溫升設(shè)計(jì)，理論估算不能完全作為最后定論，要以試驗(yàn)值作為定論依據(jù)。

4 結(jié)束語

我國(guó)高海拔地區(qū)面積寬廣，高原風(fēng)機(jī)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在逐步建立與完善中，由于環(huán)境條件對(duì)電機(jī)電氣設(shè)備的正常工作影響很大，且在高海拔使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬高發(fā)熱的電氣設(shè)備，因此，在高海拔地區(qū)安裝的風(fēng)機(jī)，要進(jìn)行相應(yīng)的高原適應(yīng)性設(shè)計(jì)與優(yōu)化。本文通過高海拔環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響分析，結(jié)合高原電氣電工產(chǎn)品國(guó)標(biāo)要求，主要從電氣絕緣修正、發(fā)電機(jī)工頻/沖擊耐受電壓、發(fā)電機(jī)溫升幾個(gè)方面對(duì)高原型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了概要說明。除此之外，高海拔環(huán)境對(duì)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(shí)際問題中，除了設(shè)計(jì)要求外，還要輔助相應(yīng)的高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，使產(chǎn)品的技術(shù)性能和可靠性真正達(dá)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(shù)要求［S］.

［2］陳開運(yùn). 高海拔電氣設(shè)備工作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求［J］. 機(jī)車電傳動(dòng)，2005（2）:19-22.

［3］邵平安. 高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)解析［J］. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2011， 38（5）:47-50.

［4］王富， 王杰， 徐學(xué)淵. 高原風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)及改進(jìn)［J］. 電站輔機(jī)， 2009， 30（3）:19-22.

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

謝生清（1977-），男，漢族，風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師，從事風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)、設(shè)計(jì)及產(chǎn)品技術(shù)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(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.034