風電機組與“預防式消防”理念

（西門子基礎設施及城市業務領域中低壓業務集團中低壓產品業務部，德國雷根斯堡，93055）

（西門子基礎設施及城市業務領域中低壓業務集團中低壓產品業務部，德國雷根斯堡，93055）

本文探討了風電機組消防的難點和必要性，進而提出了“預防性消防”這一理念，并列舉出可用于“預防性消防”及滅火系統的中低壓產品及解決方案。

風電機組；消防；預防性消防

0 引 言

人類開發風能已有近四千年的歷史，在能源結構發生巨變的今天，風電資源異軍突起，吸引著眾多企業投入大量技術和資金。在建的風電場遍布陸地和沿海，單機容量越來越高，風場規模也越來越大。

以德國為例，2012 年，風電占德國電力產出的7.7%[1]，在網風電機組超過23,000個，總發電能力超過31,307MW[2]。其中不乏轉子直徑90多米，單機容量2.5 MW的大型風電機組，其高度從80m到130m不等（根據所在位置不同）。甚至有高達6MW的風電機組[3]。單機容量不斷增大已成為風電市場發展的總體趨勢。

而隨著單機容量的增大，引入風電機組的消防理念尤為重要。對于處于露天區域的風電機組而言，一旦由于雷擊或技術缺陷而發生火災，滅火對于消防部門將是一個大難題。整個風電機組系統有可能因此遭到徹底破壞。

1 風電消防的意義

無論風電機組坐落在陸上還是海上，投資商的資金投入都是巨大的，所以保護顯得尤為必要，這樣才能使風電機組在保值的同時創造利潤。在發達國家，避免潛在風險，例如火災，符合風場投資商和保險公司的利益。所以，全面的消防理念對于防患于未然很必要，其包括：預防性消防保護、完整的火災報警和滅火系統。

造成風電機組起火的風險因素很多，比如：雷擊。風電機組一旦遭受雷擊，并非只有轉子葉片面臨危險，發電機和傳感器等非直接暴露在外的系統也會由于感應雷同樣面臨損壞的危險。此外，風電機組設計時的技術缺陷也會引起火災。由于風電機組系統中存在大量電子元件，因此存在特別高的潛在風險。斷路器或控制電子故障，元件設計不合理、電氣保護理念不足（例如缺少絕緣故障檢測），都可能導致火災。但起火原因絕不僅限于此，還有很重要的一點，由超負荷的機械制動引發的熱量和火花，機油系統泄漏、發電機軸承或傳動軸承潤滑不足而產生的機械超載都有可能會引發火災。

一旦起火，機艙的內部隔音設備，其塑料附件，電纜、電氣安裝、液壓系統或驅動器的機油等，這些零部件都是可燃物，這對于風電機組簡直就是“火上澆油”。然而，在130m的高空中完成滅火工作對于消防部門來說難度是非常大的。對于海上風電，發生火災后人工干預幾乎是不可能的。對投資商而言，火災帶來的除了運營中斷或投資損失外，同樣意味著對周邊生態和電力經濟的破壞，還有在日益敏感的公眾面前名譽損失等諸多負面打擊。

如何引入適當的消防措施來保護風場投資商的利益，德國勞氏船級社以及獨立測試機構 VDS 已經針對風電機組的消防問題出臺了相關的指導方針。這些方案不僅適用于新安裝的設備，對于使用壽命要求20年的在役風電機組而言，也需要改進火災報警技術和滅火技術。

2 “預防性消防”理念

如上所述，風電機組發生火災無法通過傳統滅火方式熄滅，消防理念的焦點應該集中在預防上。這是避免嚴重經濟后果的唯一有效途徑。對于消防解決方案提供商而言，能夠提供針對各種起火原因的產品組合是至關重要的。

2.1 雷擊

為預防雷擊起火，必須依據風輪機類型，調整雷電過壓保護。為提供最佳保護，風險評估必須考慮到雷擊的可能性路徑。例如，雷電擊中轉子葉片，然后經輪軸、機艙和渦輪塔傳至基座。通常需要安裝避雷針或避雷器，避免風電機組低壓系統由于直擊雷而導致過壓和高電流。

2.2 電氣系統的消防

包括熔斷器、斷路器以及剩余電流監控設備在內的消防技術，能夠選擇性識別故障并及時切斷故障的電氣設備，例如變壓器、導體或發電機。另外，消防系統必須確保能夠立即停機，并向遠程監控系統發送故障信息。

此外，交叉保護的理念很必要。相鄰設備之間的保護裝置緊密相連，以達到為彼此提供后備保護的效果。比如，一個合適的配置，不但可以預防由于低壓系統中的電弧故障及斷路器故障而引起的過火風險，而且能夠診斷故障并自動打開變壓器高壓側的中壓開關，使故障組件能夠有選擇地從系統中被斷開。

3 “預防性消防”產品

在全面的消防理念中，監測和保護裝置可以確保風電機組的長期有效使用。

3.1 空氣斷路器

空氣斷路器用于分斷和保護風電機組的主電路，也可以斷開與電網的連接，從而確保維修保養工作能安全進行。斷路器能夠防止由于電流過載和短路引發的火災，并針對電源過載后的過熱提供保護。空氣斷路器還可為火災管理系統提供報警信號。

3.2 塑殼斷路器

塑殼斷路器用于分斷和保護輔助電路。同空氣斷路器一樣，塑殼斷路器也能防止由于過載引起的過熱，并發出報警信號。

3.3 半導體熔斷器

半導體熔斷器能夠防止功率組件，特別是變流器的IGBT 故障而引發的火災，并保護變頻器晶閘管的軟起動器等裝置免受短路影響。

3.4 剩余電流監控裝置

剩余電流監控裝置能夠通過指示剩余電流，來監控隱蔽的電氣安裝接地故障。當檢測數據超過設定值時，便會觸發警報信號，在剩余電流引發火災前執行預防性維護。

3.5 多功能檢測儀表

多功能檢測儀表能夠對風電機組的饋電質量進行檢測，并可監控發電電路中的變量，從而提早發現電路過載和故障，避免隨之產生的損失。

3.6 剩余電流保護器

剩余電流保護器對于確保個人安全至關重要，它們能夠避免維護人員因直接或間接接觸致使的電擊危險，同時對因觸電引發的火災提供保護。保護裝置用于剩余電流檢測，例如可能由絕緣故障而引發的剩余電流，通過關閉被擾回路避免起火。B 型和B+ 型通用電流敏感剩余電流動作斷路器同樣能夠確保為風電機組直流剩余電流提供可靠保護。

3.7 母線槽系統

在風電機組上安裝母線槽系統比安裝電纜更能有效防火。與采用 PVC 絕緣電纜相比，母線槽系統大大降低了火災負荷。其耐老化涂層同樣能夠確保導體的高度表面防護性能。出線單元的高短路強度及應對雷擊的高熱負荷，進一步增強了母線槽系統的優勢。

根據風力發電建設和運營商的需求，可以安裝額外的監控和保護裝置，當檢測系統進入關鍵狀態可以及時采取干預措施，防止火災。

4 火災報警系統和滅火系統

如果在層層預防措施下，火災還是不可避免地發生了，自動火災報警系統和滅火系統能夠將損失和停產時間降到最低。

4.1 監測

報警系統對煙霧、熱量及火焰具有高度敏感性，可同時進行視覺監測及熱監測，能夠提早監測到火災并向中央火災報警系統傳送信息。這樣可以立即關閉風電機組，并啟動滅火系統。為了最大限度確保安全，所有關鍵點都需安裝指示器，從機艙、控制柜一直到基座。

4.2 滅火系統

風電機組的高度和位置給傳統防火方式提出了極大考驗。現代自動滅火系統優勢明顯，例如西門子Sinorix解決方案。一旦爆發火災，報警系統能立即激活。兩種不同類型的滅火技術相結合可以實現最佳防護。對電氣系統而言，最合適的是氣體滅火，使用二氧化碳、氬氣或氮氣，它們能夠迅速可靠地熄滅火源，而滅火劑對敏感電子設備也不會造成損害。而現代水氣化技術則對控制明火十分有效，當機械部件如機艙、液壓裝置或制動器起火時，該技術是最佳選擇。這些滅火系統通過噴射細水蒸汽，能夠迅速熄滅明火并且有最佳的冷卻效果。本文運用正交試驗設計，建立試驗模型，根據正交試驗的結果，運用數據統計分析軟件SPSS18.0進行多元線性回歸分析，建立了優化模型的目標函數、設計變量和約束條件，結合工程實際確定了設計變量的取值范圍，最終建立塔架結構優化的數學模型。在此基礎上，應用MATLAB優化工具箱對模型進行求解，得到了優化結果。在滿足塔架結構極限應力、疲勞、屈曲和模態要求的前提下，減輕了8.93%的塔架質量。

5 結論

陸上和海上的風場都是投資巨大的項目。這些昂貴的風電機組迫切需要合理的消防理念實現有效保護。預防式消防是避免事故發生的有效措施，也是保障機組和工作人員安全的必要前提，將會引起人們的高度重視。

[1] cp. Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety (BMU),Renewable Energy 2012, http://www.bmu.de/N50019.

[2] cp.Deutsche Windguard. Status of the Development of Wind Energy in Germany, 2012,http://www.wind-energie.de/sites/default/files/attachments/page/statistiken/fact-sheet-statistik-we-2012-12-31.pdf.

風電機組與“預防式消防”理念

邁克爾?恩斯特

Wind Power and Concept of “Preventive Fire Protection”

Michael Ernst
(Siemens AG, Infrastructure & Cities Sector, Low and Medium Voltage Division, Regensburg 93055, Germany)

This paper discussed the di ffi culties and necessity of fire protection for wind turbines, put forward the concept of “preventive fire protection”, and listed the low and voltage products and solutions which can be applied in “preventive fire protection” and fire extinguishing systems.

wind turbine; fire protection; preventive fire protection

TM614

A

1674-9219(2013)07-0094-03

2013-05-03。

邁克爾?恩斯特（1963-），男，本科，負責西門子基礎設施及城市業務領域中低壓集團中低壓產品業務部應用與行業領域市場部工作。