高原风电机组发电机设计要求

高原风电机组发电机设计要求　谢生清　（金风科技股份有限公司，乌鲁禾齐　圳）【）１）　摘要：本文介绍了高海拔环境对风力发电机的影响，针对高海拔环境特点．从影响发电机散热和绝　缘两个最主要因素角度，阐述了高原型发电机散热设计技术要求，发电机电气绝缘没计要求说明　关键词：高海拔；发电机；散热；温升：绝缘　０　引言　口　我　Ｊｒ发的风电１　项ｆｊ，８５％以上　离原　ｆＵ饥　发【Ｕ机设汁特　、　，本义×ｌｆ逝川Ｊ：Ｉ　海　拔地ｆ×：的　，　发电机没汁　求作一慨璎蜕ｆｆ』Ｊ　ｌ｝１在非高海拔Ｉ≮域，而作为风资源中Ｉｌ对较￣ｆＶ，Ｊ　近儿年各Ｊｘ【ｆＵ　Ｊｒ发商陆续丌发＿ｒ　』士总　而　高原风场，　、　１　高海拔地区的主要气候特点　高海拔地　气电机　旧南岛海拔地Ｉ≮　青海、西减、　南等　域，　僻　有较恶劣的ｒｌ然气候条件，埘电　低）；　ｌ　程项口比承还址较少，仍柯较人　箭性能影响较大，Ｊ　特点：　的潜力，该ｆ×：域删论可行发容“　剐　程可』Ｆ发弈｝Ｉ　（Ｉ）一　密度较低（火　大，　有规｛＝Ｉ！化开发的资源条什和环境条件　埘丁：建没　尚海拔地ｆ×：的　场，所采川的　【　（２）一ｉ　温度较低，　濉ＩＩ变化剧　；　（３）…㈣时问Ｋ，人阁ｉ４＝ｌｆ　１ｆ强；　饥组与安装ｈｉ￣ｌｌ：ｉ＇２；海拔风场的小Ｍ，存非高海拔地　（４）。！　绝对　度较小；　』　使月ｊＶ，Ｊ　Ｊ＜Ｉ力发ＩＵ机，并不会　勾海拔的蓐异而制　定特殊的没汁嘤求　对于装（ｔｉｉ？＇ｉ海拔地ＩＫ的　ｅ密度、夫　ｔ爪力、　发电机，Ｆ｝１　海拔高度的升高，　（５）　降水最较小；　（６）＿　卜燥、　１　暴｝Ｉ较多，土壤Ｆ乜ｌ５Ｉ１　较Ｉ　（７）　｛｛　大风Ｈ较多　Ｃ温、空气　度等都发生了变化，对该　域使川的　发电机提…．ｒ新的要求，设汁　嗄做适晦・Ｈ－的特　昧设汁／Ｉ　能保　电机存高海拔环境条件下正常１　作，　勾便于凄　ｒ懈『　海拔环境埘　，Ｊ发电￣Ｌ￣ｔＯ影响技　我Ⅲ舟　电Ｔ产ｒ　环境技术标准化技术委　会　厂ｌＩ　Ｌ　ｆ研究机构做了大　舟海拔的研究ｒ作，岛　环境条件参数洋　表１（符合（；Ｂ／Ｔ　２０６２６．１—２（）（１６　《高原Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｊ　产：ｆ　》）　风力发电　表１　序号　环境参数　高原环境条件参数　海拔（１ｒ１）　０　１０００　２【ｘ】０　３Ｏ００　４Ｏｏ０　５Ｏ００　年平均　１　气压（ｋＰａ）　最低　最高　ｌ０ｌ＿３　９７．０　４５．４　９０．Ｏ　８７－２　４５．４　７９．５　７７．５　３５　７Ｏ．１　６８．Ｏ　３０　６１．７　６０．０　２５　５４．０　５２．５　２０　空气温度　２　（℃）　最高日平均　年平均　最低　３５３　２０　＋５　３５－３　２０　－５　２５　ｌ５　一ｌ５　２０　１０　－２０　１５　５　－４０　１０　０　－４５　最大Ｅｔ温差（Ｋ）　１５．２０．３０　最湿月月平均最大　相对湿度　３　（％）　９５．９０　（２５）　２Ｏ　９５．９０　（２５）　２Ｏ　９０　（２０）　ｌ５　９０　（１５）　１５　９０　（１０）　１５　９０　（５）　１５　（平均最低气温，℃）　最干月月平均最大　（平均最高气温，。Ｃ）　４　（１５）　ｌ１．０　（１５）　７．６　３．２　（１５）　５．３　２．７　（１０）　３．７　２．２　（５）　２．７　１．７　（０）　１．７　ｌ３　绝对湿度　（ｇ／ｍ　）　年平均　年平均最小值　３７　．５　６　最大太阳直接辐射强度（Ｗ／ｍ２）　最大风速（ｍ／ｓ）　１Ｏ００　１０００　１０６０　ｌ１２０　１１８０　１２５０　２５，３０，３５，４０　７　最大ｌＯｍｉｎ降水量（ｍｍ）　１５。３０　注１：为便于比较，将标准大气条件参数（０～１０００ｍ）列入表中。　注２：在最低空气温度、最大日温差、最大风速、最大ｌＯｍｉｎ降水量等几项中，可取所列数值之一。　２　高海拔气候条件对风力发电机的影响　２．１　空气密度低对发电机外绝缘强度与电气　间隙的影响　海拔增高，空气密度降低，导致电工产品外绝　２２空气密度降低对发电机温升的影响　．高海拔地区，因为环境大气密度的降低，使　空气对流为主要散热方式的电气产品散热困难，　温升增加。海拔增高，环境温度降低，有时可部　分补偿因海拔升高所引起的产品温升的增加值，　缘强度降低。对发热较大的发电机设备、变压器等影　响较为显著，尤其是同时出现高相对湿度时隋况更为　严重。大气压力或空气密度的降低，引起发电机外绝　缘强度的降低，在标准海拔至５０００ｍ范围内，每升　但由于不同产品散热特点不同，工作时产生的发　热量不同，在高海拔气候条件下，对设备的温升　仍有不同程度的影响。　目前风力发电机一般都是　兆瓦级，发电机在运行时，会产生大量的热，冷　却散热方式多是自然通风冷却或强迫风冷，对于　设备的温升，昆明电器科学研究所验证：在海　高１０００ｍ，即平均气压降低７．７～１０．５ｋＰａ，外绝缘强度　降低８￣／￣１３％。同时，高海拔较大的日温差，容易　使电机设备发生凝露促进腐蚀，降低表面电阻而使　绝缘强度降低。风力发电机在高原气候条件下工作　时，电机的绝缘性将被降低，给设备及人员安全都　带来不利影响。　拔５０００　ｍ以内，每升高１０００　ｍ，设备温升增加　３％～１０％　。对于空气自然对流散热冷却的电气设　备，其温升增加可能会小一些；对于强迫通风冷　却的电气设备，其温升增加可能会大一些。一般　随着高海拔的增高，空气压力的降低，电机绕组　的起始电晕电压也降低，根据帕邢定律：在均匀电场中，　击穿电压和电极距离与气压的乘积成正比。在高海拔　地区，如果不提高发电机的设计电气间隙，发电机的　击穿电压等级将会下降，设备盼陛能将得不到保证。　电气产品每升高１００　ｍ，温升增加最大０．４　Ｋ，对　于发电机设备温升，海拔每升高１００　ｍ，增加额　定温升的１％。　固　技术交流＂ｒｅｃ　ｉ　ａＩ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｓ　３　高原风电机组发电机的设计要求　３．１发电机电气绝缘的设计要求　高海拔地区由于气压的降低，致使发电机电晕　电压减小，设备绝缘强度降低，因此需要对发电机　绕组的绝缘进行优化，以提高绝缘强度。绝缘强度　的提高主要包括绝缘材料的选择、绝缘结构的设计，　如采用耐电晕漆包线，并在定子槽内喷耐电晕绝缘　漆，增加绕组的槽满率，若间隙大则可以在绕组和　槽间安装防电晕波纹板，槽内垫条采用防电晕材料　对于安装在高海拔的风力发电机，电气绝缘距　离　与海拔高度Ｈ的关系式：　Ｌｎ：Ｌｏ×Ｋ１　（２）　式中Ｌ　——海拔日处的电气绝缘距离（Ｈ为　风力发电机组安装的海拔高度）；　￡订一标准大气压下设计的基准电气间隙；　——电气间隙修正系数。　３－３发电机工频耐受电压和冲击耐受电压设　计要求　在海拔２０００　ｍ以上高原环境条件下，使用的　等。加强绝缘强度，提高绕组的起晕电压，使发电　机组满足在高海拔地区长期、安全可靠的运行，电　机绕组起晕电压与大气气压关系为：　：高原型发电机设备，应具备产品性能所要求的工频　耐受电压能力和冲击耐受电压能力。耐受电压值应　符合常规性发电机产品标准的要求，同时当风力发　电机安装的地点海拔和测试试验地点海拔不同时，　试验电压值应乘以修正系数，高原风力发电机的工　频耐受电压、冲击耐受电压宜按表３　规定确定的　Ｕｋｏ　ｘ　０．０　０２　９ｐ　ｆＴ二，ｊ　（１）　式中　＿—海拔在　处时电机起晕电压；　标准大气压下电机起晕电压；　Ｐ——在海拔高度为Ｈ处的大气气压（设　修正系数（符合ＧＢ／Ｔ　２０６２６．１—２００６《高原电工电　子产品》），进行试验修正。　对于安装在高海拔的风力发电机试压电压　与海拔高度日的关系式：　＝计时选取值参见表１）；　ｆ——风力发电机组安装点的最高气温。　３．２发电机电气间隙的修正　对于高原型风力发电机设计时应按要求增大电　气间隙，其设计修正系数按表２　规定执行（符合　ＧＢ／Ｔ　２０６２６．１—２００６《高原电工产品》）。　Ｕｏ×　（３）　式中　（，ｎ——标准大气压下额定试验电压；　——海拔修正系数。　表２　使用地点的海拔高度（ｉｎ）　相应大气气压（ｋＰａ）　以零海拔为基准　电气间隙　修正系数　以ｌＯ００ｍ海拔为基准　以２０００ｍ海拔为基准　说明：　电气间隙修正系数表　０　１０１．３　１．００　Ｏ．８９　Ｏ．７８　ｌ００Ｏ　９０．Ｏ　１．１３　１．Ｏ０　０　８　２０００　７９．５　１－２７　１．１３　１．０ｏ　３０Ｏ０　７０．１　１．４５　１－２８　１．１３　４ｏｏＯ　６１．７　１．６４　１．４６　１－２９　５Ｏｏ０　５４．０　１．８８　１．６７　１．４７　注１：电机产品使用海拔介于表内两值之间时，可用插入法进行折算。　注２：本表仅适用于低压产品，高压产品的修正系数待定。　注３：在实际使用中考虑风速对产品电气间隙的影响。　表３　产品使用地点海拔（ｍ）　海拔修正　系数　产品试验地　海拔（ｍ）　频耐受电压和冲击耐受电压的海拔修正系数表　１０００　Ｏ　ｌｏｏＯ　１．１１　１　２００ｏ　１－２５　１１１　．３０ｏ０　１．４３　１．２５　４０Ｏ０　１．６７　１．４３　５０００　２　１．６７　日　风力发电　续表　产品使用地点海拔（ｉｎ）　２０００　ｌＩ　『１０００　０．９１　２０００　１　３０００　１　ｌｌ　４０００　１．２５　５Ｏ００　ｌ　４３　海拔修正　系数　产品试验地　海拔（ｍ）　３０００　４０００　５Ｏ（）ｏ　ｌ　１　１　０．８３　０７７　．０．９ｌ　Ｏ．８３　ｌ　０．９ｌ　１．１ｌ　ｌ　ｌ－２５　１．１１　０．７１　Ｏ．７７　０．８３　０．９１　１　注１：在以考核内绝缘质量为主的例行试验中，按有关产品标准的规定，试验电压取海拔１０００ｍ或２０００ｍ时产品的耐受电压值，不作修正。　注２：试验电压值为常规型产品标准规定值与海拔修正系数　的乘积。　注３：产品使用海拔介于表内两值之间时，可用插入法进行折算。　３・４发电机温升设计要求　随着海拔高度的增加，大气压强逐渐降低，空　气密度减少，因此单位空气的比热容降低，从而造成　发电机散热效率的降低。当发电机在工作中因绕组有　电流通过，因此会产生热量，在电压恒定的条件下，　功率同电流成正比关系，而绕组的发热（即铜损）同　电流的平方成正比，即发电机的发热量同功率的平方　４　结束语　我国高海拔地区面积宽广，高原风机相关的国　家标准在逐步建立与完善中，由于环境条件对电机电　气设备的正常工作影响很大，在高海拔使用的风力发　电机属高发热的电气设备，因此，高海拔地区安装的　风机，要对发电机作相应的高原适应性设计与优化。　本文通过高海拔环境下对风力发电机的影响分析，结　成正比关系，当风电机组达到满发时，发热量最大。　１）对于高原型风力发电机，在高原环境条件　使用时，发电机设计温升限值不应超过常规型相应　产品标准规定的值；同时不应超过ＧＢ　７２５　１中对应　的产品标准规定的温升限值。　合高原电气电工产品国标要求，主要从电气绝缘修正，　发电机工频耐受电压、冲击耐受电压，发电机温升几　个方面对高原型风力发电机设计要求进行了概要说　明。除上述外，高海拔环境对金属结构件的抗低温型　和冷热冲击；绝缘材料的耐低温陛能等也有影响。　工程实际中，除了设计要求外，要辅助相应的　２）若环境温度的降低值能够补偿电机散热不　良而引起的温升增加值，或者发电机温升裕量较　大，测试计算后温升仍低于绝缘材料允许温升，则　设计时发电机产品额定容量或额定电流值可以保持　不变，风电机组可以按原负荷运行。　３）若发电机温升的增加值不能被环境温度的降　低值所补偿，尤其当风电机组负荷不能减小，但温升　又肯定增加时，则应提高发电机散热能力，重新设计　高原环境适应性试验，使产品技术性能，可靠性真　正达到高原使用要求。　参考文献　［１］ＧＢ／Ｔ２０６２６．１—２００６《高原电工电子产品通用技术要求》．　【２】陈开运，高海拔电气设备Ｔ作特点及设计要求ＩＪＩ机　车电传动，２００５（２）：１９—２２．　谢生清，男，风电系统工程师，主要从事于风电机组　的开发、设计及产品技术管理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｓｈｅｎｇｑｉｎｇ＠　ｇｏｌｄｗｉｎｄ．ｃｏｍ．ｃｎ　散热冷却系统，加大设备散热功率、提高散热效率等　措施，或者也可以用提高电机绝缘材料等级的办法　来解决。此外，对于高原发电机的温升设计，理论　估算不能完全作最后定论，要以试验值作为定论依据。　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ａｌｔｉｔｕｄｅ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＸＩＥ　Ｓｈｅｎｇｑｉｎｇ　（Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｇｏｌｄｗｉｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ａｌｔｉｔｕｄｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅｓ，ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ａｌｔｉｔｕｄｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｈｉｇｈ　ａｌｔｉｔｕｄｅ　ｗｉｎｄ　ｕｒｂｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｔｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ａｌｔｉｔｕｄｅ；ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｃｏｏｌｉｎｇ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ　日