堯瑤，韋橋斌，曾東，趙鉞

（1.廣東省風(fēng)力發(fā)電有限公司，廣州 510630； 2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510663）

引言

風(fēng)力發(fā)電作為新能源相比傳統(tǒng)能源具有環(huán)境友好、降低碳排放等優(yōu)點(diǎn)，隨著陸上風(fēng)電裝機(jī)逐漸飽和，逐漸向海上發(fā)展，近十多年南海海上風(fēng)電已取得長(zhǎng)足發(fā)展[1]。風(fēng)電機(jī)組在海上會(huì)受到高溫、高濕、鹽霧、臺(tái)風(fēng)、雷電等環(huán)境因素影響[2-4]。有必要對(duì)風(fēng)機(jī)的環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，充分評(píng)估環(huán)境對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，從而可以及時(shí)采取措施減少或消除不利于風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的不利因素。

本文對(duì)某南海濕熱海域風(fēng)電機(jī)組開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試評(píng)價(jià)工作[5,6]，包括海鹽粒子濃度分析、溫濕度分析、電氣腐蝕環(huán)境腐蝕性分析、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件涂層評(píng)價(jià)分析等。

1 環(huán)境條件監(jiān)測(cè)方案

1）溫濕度監(jiān)測(cè)

在海上風(fēng)電機(jī)組典型位置進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)，包括塔基內(nèi)外部、塔基主控柜、變流器主控柜、機(jī)艙內(nèi)外、機(jī)艙主控柜、發(fā)電機(jī)表面、輪轂內(nèi)、輪轂控制柜、機(jī)艙外、偏航等位置，試驗(yàn)周期為12個(gè)月。

2）氯離子沉降監(jiān)測(cè)

在海上風(fēng)電機(jī)組塔基內(nèi)外、機(jī)艙內(nèi)外等位置開(kāi)展氯離子沉降監(jiān)測(cè)，每3個(gè)月取樣一次。機(jī)艙外部及塔基外部鹽霧粒子采集濾膜放置在戶外環(huán)境測(cè)試百葉箱中，安裝示意圖見(jiàn)表1。

表1 鹽霧沉降濾膜安裝示意圖

表2 以氯化物為代表的空氣中鹽類污染物分類

3）大氣中氯離子濃度監(jiān)測(cè)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T10593.2-2012相關(guān)規(guī)定，在風(fēng)電機(jī)組塔基內(nèi)外、機(jī)艙內(nèi)外等位置采集大氣中的氯離子，采集體積36 L，采集的吸收液使用專業(yè)氯離子分析儀進(jìn)行分析。

4）電氣設(shè)備腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)

風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備在海上高溫、高濕、鹽霧等環(huán)境因素作用下會(huì)導(dǎo)致腐蝕和老化以及電氣性能下降。參考標(biāo)準(zhǔn)ISA-71.04-2013《過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)環(huán)境條件：空氣中的污染物》，采用高精度純Cu腐蝕表征片對(duì)關(guān)鍵電氣設(shè)備微環(huán)境進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，安裝位置包括塔基內(nèi)部、塔基外部、塔基控制柜、變流器柜、機(jī)艙內(nèi)部、機(jī)艙主控制柜、發(fā)電機(jī)表面、輪轂內(nèi)、輪轂控制柜、機(jī)艙外、偏航等。

5）塔筒涂層性能測(cè)試

對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)外涂層進(jìn)行性能測(cè)試，包括涂層厚度、顏色、外觀變化檢查、阻抗測(cè)試等，測(cè)試評(píng)價(jià)周期為1年。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

1）溫濕度

根據(jù)溫濕度統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖1～8。

圖1 每月最高溫度變化曲線圖

圖2 每月平均溫度變化曲線圖

圖3 溫度超過(guò)40 ℃時(shí)間

圖4 溫度變化率≥5 ℃/h時(shí)間

圖1～4是風(fēng)機(jī)不同位置溫度變化曲線。7～9月各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度處于最高水平，各控制柜、發(fā)電機(jī)等位置溫度相對(duì)較高，塔基控制柜最高溫度接近50 ℃；輪轂控制柜高溫時(shí)間（超過(guò)40 ℃）最長(zhǎng)，8月份接近600 h；變流器控制柜溫度變化率最高；塔基外、機(jī)艙外等戶外監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度明顯低于風(fēng)機(jī)內(nèi)部。

圖5～8是風(fēng)機(jī)不同位置濕度變化曲線。除輪轂控制柜外，6月、10月風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濕度相對(duì)較高，濕度超過(guò)60 %的時(shí)間較長(zhǎng)；6月部分區(qū)域最高濕度超過(guò)90 %，可結(jié)合機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合分析；塔基控制柜濕度變化率明顯高于風(fēng)機(jī)內(nèi)部其他位置；塔基外、機(jī)艙外等戶外監(jiān)測(cè)點(diǎn)濕度及濕度變化率遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)內(nèi)部。

圖5 每月最高濕度變化曲線圖

圖6 每月平均濕度變化曲線圖

圖7 濕度超過(guò)60 %時(shí)間

圖8 濕度變化率超過(guò)6 %/時(shí)間

綜上，6～10月風(fēng)機(jī)內(nèi)部處于高溫高濕環(huán)境中。電氣設(shè)備在高溫下運(yùn)行可能會(huì)影響風(fēng)機(jī)發(fā)現(xiàn)效率，輪轂控制柜、機(jī)艙控制柜、塔基控制柜超過(guò)40 ℃時(shí)間較長(zhǎng)，可加強(qiáng)或改進(jìn)散熱裝置。濕度超過(guò)60 %或濕度變化率超過(guò)6 %時(shí)，會(huì)加劇電氣設(shè)備腐蝕或受潮的發(fā)生，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行造成不利影響。6月、10月部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度超過(guò)60 %的時(shí)間較長(zhǎng)，部分區(qū)域6月最高相對(duì)濕度超過(guò)90 %，應(yīng)注意加強(qiáng)除濕。

2）海鹽粒子沉降量

采用離線式掛膜采樣分析法，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10593.2-2012對(duì)鹽粒子含量進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 海鹽粒子沉降結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，機(jī)艙內(nèi)海鹽沉降量略高于塔基內(nèi)，均處于S0級(jí)，風(fēng)機(jī)外部海鹽粒子沉降量遠(yuǎn)高于內(nèi)部，塔基外鹽沉降量略高于機(jī)艙外部，處于S1-S2級(jí)。鹽霧沉降量影響電氣設(shè)備表面腐蝕和潮濕狀態(tài)，塔基內(nèi)和機(jī)艙內(nèi)鹽霧沉降量需加強(qiáng)控制。

3）海鹽粒子濃度

使用液相色譜對(duì)采集的溶液進(jìn)行分析，得到鹽霧濃度結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 鹽霧濃度含量測(cè)試結(jié)果

從表3可以看到，戶外的鹽霧粒子濃度明顯高于風(fēng)機(jī)內(nèi)部，其中風(fēng)機(jī)內(nèi)部塔基和機(jī)艙海鹽濃度基本相當(dāng)，塔基外的濃度要高于機(jī)艙外。鹽霧濃度反映環(huán)境某一時(shí)間段內(nèi)空氣中鹽霧含量的水平，影響電氣設(shè)備的絕緣與腐蝕老化，電氣設(shè)備服役環(huán)境中的鹽霧濃度需控制在一定范圍內(nèi)，如條件允許可對(duì)機(jī)艙內(nèi)和塔基內(nèi)鹽霧濃度采取進(jìn)一步控制。

表3 ISA-71.04環(huán)境腐蝕標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)

4）電氣設(shè)備環(huán)境腐蝕性

使用電化學(xué)工作站對(duì)電器設(shè)備腐蝕環(huán)境表征測(cè)試片進(jìn)行電化學(xué)分析，得到電氣設(shè)備環(huán)境腐蝕性結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 電氣設(shè)備微腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

腐蝕測(cè)試片的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，風(fēng)機(jī)內(nèi)各部位腐蝕產(chǎn)物以氧化物為主，腐蝕等級(jí)基本為G1，在受控范圍內(nèi)，對(duì)腐蝕速率較高的區(qū)域可開(kāi)展定期測(cè)試，確保在全生命周期內(nèi)的電氣設(shè)備腐蝕環(huán)境均為可控。塔基外和機(jī)艙外基本在GX等級(jí)。

5）塔筒涂層測(cè)試

①涂層厚度

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13452.2-2008塔筒涂層不同位置進(jìn)行測(cè)試，從表4中結(jié)果來(lái)看，總體膜厚在（450～750）μm之間，初始結(jié)果與1年后結(jié)果變化不大。

表4 塔筒涂層厚度測(cè)試

②顏色

對(duì)塔筒涂層進(jìn)行光澤、色差測(cè)試，并按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1766-2008進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。

從表5顏色測(cè)量結(jié)果可以看到，塔筒涂層色差在0-1級(jí)，變色很輕微；失光率達(dá)到4-5級(jí)之間，失光比較嚴(yán)重，復(fù)合涂層在嚴(yán)酷環(huán)境下的前期老化特征，可開(kāi)展跟蹤測(cè)量。

表5 涂層顏色、光澤測(cè)試

③外觀等級(jí)評(píng)價(jià)

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1766-2008，對(duì)塔筒涂層起泡、銹蝕、開(kāi)裂等失效行為進(jìn)行評(píng)級(jí)，檢查結(jié)果見(jiàn)表6，塔筒涂層無(wú)明顯破損，各項(xiàng)檢查均為0級(jí)。

表6 涂層外觀檢查結(jié)果

④涂層阻抗測(cè)試

試驗(yàn)前后對(duì)塔筒涂層分別進(jìn)行阻抗測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表7，塔筒涂層阻抗無(wú)明顯變化，塔筒涂層體系以及和金屬間的結(jié)合未出現(xiàn)明顯變化，可定期開(kāi)展復(fù)測(cè)。

表7 涂層阻抗測(cè)試

3 結(jié)論

1）風(fēng)電場(chǎng)海域環(huán)境在6～10月有明顯高溫、高濕的特征，風(fēng)機(jī)內(nèi)部電氣設(shè)備服役環(huán)境受外界環(huán)境影響較大。7～9月夏季風(fēng)機(jī)內(nèi)各控制柜的溫度較高（最高接近50 ℃），可加強(qiáng)散熱；6月、10月潮濕問(wèn)題較為嚴(yán)重，可加強(qiáng)季節(jié)性除濕；根據(jù)具體監(jiān)測(cè)結(jié)果可對(duì)風(fēng)機(jī)整機(jī)溫濕度環(huán)境控制進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

2）塔基內(nèi)部和機(jī)艙內(nèi)部鹽霧沉降等級(jí)為S0級(jí)，塔基外鹽霧沉降等級(jí)為S2，機(jī)艙外部鹽霧沉降等級(jí)為S1級(jí)，機(jī)艙和塔基內(nèi)鹽霧濃度和沉降量均得到有效控制，可根據(jù)情況對(duì)鹽霧控制進(jìn)一步加強(qiáng)。

3）風(fēng)機(jī)內(nèi)電氣設(shè)備微腐蝕環(huán)境等級(jí)為G1，腐蝕發(fā)生概率較低，可依據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)腐蝕速率相對(duì)較高區(qū)域開(kāi)展定期測(cè)試，確保在全生命周期內(nèi)的電氣設(shè)備腐蝕環(huán)境均為可控。

4）塔筒涂層顏色變化很輕微，變色程度為0-1級(jí)，失光較為嚴(yán)重，達(dá)到4-5級(jí)、粉化、起泡、開(kāi)裂、銹蝕等性能變化均為0級(jí)，無(wú)明顯失效破壞情況。塔筒涂層厚涂層阻抗變化不大，可定期進(jìn)行跟蹤觀察測(cè)試。