高原型風機電氣系統的設計分析

王佰川

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高原型風機電氣系統的設計分析

王佰川

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

高原環境條件會影響風力發電機組電氣系統的性能，只有摸清高海拔環境條件對風電系統各個部件的影響，才能設計出穩定運行的風電機組。本文闡述了高原環境對電氣系統的各種影響因素，針對電氣設備、電纜選型以及變流器水冷卻系統提出了科學的優化方案。

高原型風機；電氣系統；改進措施

中國的風能資源在海拔3000m以上約占16%，在海拔2000m以上為33%，在這些地區的風電資源技術可開發量高達47000MW。高原型風電場如此巨大的市場潛力將為高原型風電機組的發展應用帶來絕佳的機遇。在這些高海拔地區使用的風力發電機組必須具備良好的環境適應性和適當的保護措施，以確保風機各系統的穩健運行。

某公司93～1600m高海拔機組在設計過程中，結合高原地區的環境特點，針對高原特殊生態環境從載荷、散熱、控制策略、電氣等多方面加強機組環境適應性設計[1]；同時，針對電氣設備及電子元件在高原使用的特殊要求、材料和部件的抗紫外線能力、比較大的晝夜溫差及其導致的凝露、高原地區的貯存和運輸等方面都做出了有針對性的調整和設 計[2]。通過對葉片、發電機、電控系統等的優化設計，達到了《高原型風力發電機組技術規范》的設計標準[3]。本文針對高原特殊環境條件對風機電氣系統的主要影響因素進行分析，并提出解決方案。

1 高海拔對低壓電氣系統的影響

海拔的升高對于風力發電機組低壓電氣系統的影響[4-5]，主要表現在電氣間隙、爬電距離、電氣元器件的容量、柜內主回路設計等方面。下文將進行詳細的論述。

1.1 電氣間隙和爬電距離

風電機組內部器件有交流400V和交流690V兩種電壓等級，變流器、主控柜、配電柜和冷卻柜內所有元件的電氣間隙、爬電距離都要求滿足國家標準[6]，具體見表1。

表1 電氣間隙和爬電距離修正系數

對于690V電壓等級系統，依據GB 14048.1—2006的內容，其最小電氣間隙應是8mm。5km海拔時設計調整過后最小電氣間隙是8×1.48=11.84mm，定為12mm；其最小爬電距離是12.5mm。5km海拔時設計調整過后最小爬電距離是12.5×1.48=18.5mm，定為19mm。

對于400V電壓等級系統，依據污染等級3級和絕緣類型R標準、過電壓等級4kV來設計，依據GB 14048.1—2006[7]得知最小電氣間隙是3mm，再依據表1數據，得出設計調整后5km海拔最小電氣間隙是3×1.48=4.44mm。按絕緣類型R、工作電壓400V和材料等級IIIb，依據GB 14048.1—2006，得出最小爬電距離是6.3mm，設計調整后得出5km海拔最小爬電距離是6.3×1.48=9.324mm，定為10mm。

1.2 電氣元器件選型

塔基電氣柜及機艙電氣柜內部的電子元件、電氣設備的容量應該隨著海拔高度進行降容。例如繼電器、接觸器和斷路器的容量，依據表2[2]進行調整。

表2 繼電器、接觸器和斷路器的降容標準

1.3 柜內主回路采用銅排母線

由于高海拔地區的電源電壓降低，回路中電流會增大，這對柜內的電纜和工藝提出更高的標準，所以應盡量將回路改為母線系統，主要原因如下：

1）使用母線后節約了柜內的縱向空間，多出來的空間將用于外部進電纜的空間，這將有利于車間整機裝配、現場調試和維護。

2）母線排由3根銅排組成，載流量較大，通過專用的支架進行安裝。出線方式：母線系統由相應的適配器進行連接，將電源從3根銅排上引出來。進線方式：通過柜側斷路器連接母排。

3）在采用母線后，柜內將不會出現大電纜，減少工藝難度的同時，增加了其可靠性，避免了電纜散熱的問題。

4）鑒于電纜直徑變的很大，配電柜內的配電電纜線徑也會變的很大。首先線槽很難能容納下這些電纜；另外柜內空間電纜排布太過緊湊，將極大地影響電纜的散熱效果，從而直接影響電纜的載流能力。

2 高海拔對電纜選型的影響

本文以青海茫崖風電場的電纜選型來分析高海拔對電纜選型的影響。該風電場海拔高度為4000m，環境最高溫度為40℃，采用某公司1.6MW的機型。

2.1 電纜最大工作電流

發電機額定電壓為690V；發電機額定功率為1600kW；發電機繞組接線方式為星型繞組。

=1.732×cos（1）

所以最大工作電流為

max=1600000/(1.732×690×cos)A=1338A （2）

2.2 電纜設計

電壓級別定為1.5kV，基于IGBT脈沖整流的AC-AC變流器設計中包含瞬間的d/d，其區間是1.1～1.4kV。

參考遠東電纜的電纜選型手冊：FDZ-YEH 1500V-1×300電纜在理想情況的載流量是894A，FD Z-YEH1500V-1×240電纜在理想情況的載流量是784A，所以粗略將電纜截面定為240mm2三根或300mm2三根。

2.3 校驗

1）電流校驗

表3 電流校驗表

校驗結果滿足要求。

2）修正系數

在空氣中電纜多根排列分布時的計算公式為=t×1，式中t是環境溫度對比額定30℃時的校核系數，詳細數據見表4。

表4 環境溫度載流量校核系數

不在表4中的其他溫度點依據公式為

式中，m為電纜纜芯最高工作溫度，為90℃；a為環境實際溫度；N為對應于額定載流量的基準環境溫度，通常為30℃。

1為空氣中成束排列分布電纜的修正系數，具體取值見表5。

表5 電纜分布修正系數表

注：“同時工作系數”指一束電纜中滿負荷工作的電纜與總電纜根數的比值。

由于電纜分布為3層，且為同時工作，因此修正系數定為0.55。

3）依據長期發熱標準核對

×al≥max（為修正系數依據表6選定，al為理想條件下的額定載流量），其中環境溫度核對系數和電纜排列分布系數按照標準選定[8]。

4）經濟電流密度校核、電壓損失校核

因風電機組的電纜長度很短，所以電纜選型不考慮電壓損失因素。對母線長度大于15m、年利用小時數多且大容量傳輸的回路才用經濟電流密度校核，而風電是間歇性、不穩定能源，所以本論文也沒做該校核。

最后結果：每相選定FDZ-YEYH1×300電纜為 3根。

表6 長期發熱的核對表

注：電纜纜芯工作溫度為90℃，青海茫崖風電場地區環境溫度為40℃。

3 高海拔環境對變流器水冷系統的影響

高原環境下空氣密度會劇烈降低，這導致了變流器水冷系統的散熱效果變差。通過增加水冷散熱風機的功率來加大風機體積風量，進而保障風機質量風量不變來改善變流器水冷系統的散熱效果。

水冷系統的外部冷卻器的電動機功率為

式中，e為外部冷卻器的電動機功率；0為風機輸出機械功率；1為風扇的葉片效率，為0.35；2為傳動效率，非皮帶式，取0.99；3為電動機的效率，為0.88[9]。

風筒輸出機械功率為

0=2×D1×D（5）

式中，2為以風機空氣溫度為標準的溫度修正系數，對于一般的引風式水冷風筒2=1.2～1.5，對于一般的鼓風式水冷風筒2=1.1；本文選擇引風式，所以取1.3[10]。

D1為風筒的風壓，取值為150Pa。D為空氣穿過風筒時的體積風量，依據平原的空氣密度= 1.395kg/m3來計算風機的體積風量，取值為4.8m3/s。

計算流程為

= (1.3×150×4.8)/(0.35×0.99×0.88)kW=3.07kW （6）

所以，平原型變流器的外冷散熱電動機功率定為3.07kW。

空氣密度和散熱電動機的體積風量成反比例，依據4000m高海拔的情況下空氣密度為0.736kg/m3來計算得到體積風量為8.29m3/s。

= (1.3×150×8.29)/(0.35×0.99×0.88)kW=5.3kW （7）

所以，高原型變流器的外冷散熱電動機功率修正為5.3kW。

4 結論

高海拔的環境條件對電氣系統的影響是多方面的，本文重點闡述了影響最大的3個因素，即低壓電氣系統、電纜、變流器水冷系統，并結合某公司青海茫崖風電項目的工程實踐給出了高原型風電機組的解決方案。

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The design analysis of the plateau environment to wind turbine generator system

Wang Baichuan

(Panzhihua University, Panzhihua, Sichuan 617000)

The environmental conditions at the plateau environment will affect the performance of the electric system of the wind turbine. Only by finding out the requirement of the specific environmental condition of the plateau environment to the various components of the wind turbine system, the wind turbine would operate stablely. This paper describes various factors of the electrical system in plateau environment, and invents a scientific measures for electrical equipment, cable selection and converter water cooling system.

the plateau environment to wind turbine generator system; electrical system; improve measurements

2018-02-08

王佰川（1985-），男，碩士研究生，工程師，從事風電設計工作。

攀枝花市科技計劃項目（2015CY-C-5）

四川省科技廳科研項目（2015JY0250）