淺談風力發電機絕緣系統評定方法標準的制定

文／全國電氣絕緣材料與絕緣技術系統評定標準化技術委員會 劉亞麗 郭麗平／

一、前言

近10年風力發電增長迅猛，2001年以來, 全球每年風電裝機容量增長速度為20%～30%[1]。我國風力發電從20世紀80年代末開始起步，截止2011年6月，我國累計風電裝機容量44.73吉瓦，超過美國躍居世界第一。在我國風力行業迅猛發展的形式下，風力發電的安全性、可靠性備受關注。風力發電系統的兩個主要部件是風力機和發電機。其中發電機的主要部分是絕緣系統，絕緣是保證發電機穩定運行的因素之一。

風力發電機絕緣系統評定方法標準的制定可從風力發電機的種類、風力發電機運行的環境綜合考慮。除滿足發電機一般電氣性能和機械性能要求外，應結合風力發電機運行的特殊環境出發，如運行和停機溫差大、潮濕、鹽霧、低氣壓等，在標準中增加環境因素（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境因素對發電機絕緣系統的影響是一個極其重要的問題，這是其他發電機（汽輪發電機和水輪發電機等）所不具備的條件。隨著風力發電機電壓等級的提高，高海拔（低氣壓）的影響會尤為明顯。

本文從風力發電機的分類和運行環境兩方面概述制定風力發電機絕緣系統評定方法標準應著重考慮的因素，并簡要概述風力發電機絕緣系統評定的試驗方法。

二、風力發電機的分類

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

表1 風力發電機按照發電機功率分類

三、風力發電機運行環境

在制定風力發電機絕緣系統評定方法標準時，應綜合考慮我國地理國情，風電場多建設在東北、華北、西北及東南沿海一帶，風力電機運行的自然環境濕度、溫度和鹽霧條件不同，對風力發電機的絕緣系統穩定可靠運行帶來影響，所以在制定標準時應考慮風力發電機特殊的運行環境給電機絕緣系統帶來的影響。

低溫低濕度環境

我國東北、華北、西北地區風能資源豐富，十分有利于風力發電。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，風電機組在同風速下得輸出功率增大，控制系統處理不當，容易出現超發甚至超負荷的情況[2]。超負荷負載對風力發電機的絕緣系統耐電老化產生影響。風力發電機轉子和定子的絕緣系統幾乎完全暴露在戶外氣候狀態，運行溫度范圍是40°C～100°C 。在極端的低溫低濕度氣候條件下，由于頻繁啟停機導致的溫度變化，溫差高達120°C左右，冷熱交變在絕緣系統中產生的熱機械應力作用。隨著風力發電機電壓等級及容量的提高，熱機械應力作用更突出，會導致絕緣系統發生熱老化，影響電機穩定運行。可見，制定絕緣系統評定方法標準時，應加入低溫度、低濕度環境因子老化試驗。

雷電沖擊

我國東南沿海和北部山區是風能資源豐富的地區，但該地區地形復雜，雷暴日較多。雷擊是自然界中對風力發電機組安全運行危害最大的一種災害。雷電釋放的巨大能量會造成風力發電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等[3]。大功率風電機組葉片頂端可達高度150m，加上機組坐落在山丘和開闊區域，氣流的活動和變化極其頻繁，雷電流產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力發電機絕緣系統造成很大的威脅。這表明耐雷電波沖擊試驗，對多雷電地域的風力發電機是必須評定的試驗。

鹽霧環境

我國建設海上風力發電的主要地區為東南部沿海，但該地區屬亞熱帶季風氣候區，盛行海陸風。盛行的海陸風把含有鹽分的水汽吹向風電場與設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,與金屬材料發生化學反應生成強酸性的金屬鹽, 在葉片表面形成覆蓋層, 嚴重影響了葉片氣動性能；并經過一系列的化學反應后使設備原有的強度遭到破壞, 生成氧化合物使電氣觸點接觸不良, 導致電氣設備故障或毀壞, 使風力發電機組的承受最大載荷的能力大大降低, 使設備不能達到設計運行要求, 給設備安全運行帶來嚴重后果。給風場的安全、經濟運行造成大的影響[4]。高鹽霧導致發電機發生故障或毀壞，所以制定標準時應考慮鹽霧對風力發電機絕緣系統可靠性運行的影響。

四、風力發電機絕緣系統評定的試驗方法

考慮風力發電機的結構及其運行環境建議絕緣系統評定的試驗方法包括電氣老化評定、環境因素評定（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和重復脈沖電老化。

（1）工頻電老化

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

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

（2）重復脈沖電老化

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

其中：L——壽命，即試品達到特定失效概率的時間或脈沖重復次數；U——施加的重復脈沖電壓最大峰值；n——電壓老化指數（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系。例如，指數模型：L=Ae-hu

其中：A和h是常量。

2.環境因素評定（單因子/多因子老化評定）

影響風力發電機運行的環境因素包括高濕度、高低溫變、鹽霧、污穢、高海拔（或低氣壓）等，由于發電機環境條件的多樣化和特殊性，可規定環境因素主要包括高濕度、高低溫變、鹽霧環境等單因子/多因子老化試驗。

五、結語

本文從風力發電機分類和運行環境兩方面出發，論述了制定風力發電機絕緣系統評定方法標準應著重考慮的問題，并概述性提出評定風力發電機絕緣系統的試驗方法，可為風力發電機絕緣系統評定方法標準的制定提出參考性建議。

[1] 程明,張運乾,張建忠.風力發電機發展現狀及研究進展.電力科學與技術學報,2009,24(3):1-9.

[2] 孫鵬,王峰,康智俊.低溫對風力發電機組運行影響分析.內蒙古電力技術,2008,26(5):8-10.

[3] 王帥.自然環境對風力發電機組安全運行的影響分析.中國安全生產科學技術,2009,5(6):214-218.

[4] 梁志強,莫銀鋒,李添賓.鹽霧對風力發電機組的危害及對策.華人風電論壇.