海上風電設備環境適應性系列標準解讀

/機械工業北京電工技術經濟研究所 果巖 中國電器科學研究院股份有限公司 劉鑫/

一、引言

新能源與可再生能源應用已成為我國能源供應的重要方式，其中，風力發電作為最成熟的發電技術，已成為我國電力供給的重要組成部分。截止到2019年底，全國風電累計裝機容量為2.1億千瓦，其中海上風電并網裝機容量達到593萬千瓦。

我國風電機組采取引進、消化、吸收、創新的技術路線，隨著風電產業規模的不斷擴大，風力發電機組事故率也呈現逐年增長態勢，其質量和可靠性問題日益凸顯。我國環境具有獨特性，國外引進的技術和產品很難完全適用于我國所有地區的正常使用，在海上氣候環境條件下運行時，環境不適應問題導致風力發電機組非正常穩定運行，而風力發電機組的故障率往往取決于其電氣部分的環境適應性。

由國家能源局發布，全國電工電子產品環境條件與環境試驗標準化技術委員會、能源行業風電標準化技術委員會風電電器設備分技術委員會歸口的海上風力發電設備環境條件、關鍵設備耐久性技術要求系列標準，依據我國海上氣候環境特點，結合我國風電技術發展現狀，以我國自主研發技術為主，提出了海上環境條件下風力發電設備的性能、安全等技術要求以及相關測試方法，制定了能夠有效指導我國相關單位開展自主研發、設計、制造、試驗、檢測等操作性強的標準規范。

二、海上風電電器設備環境適應性標準體系

海上風電電器設備環境適應性標準體系立足我國海上特殊環境要求，圍繞基礎通用類、設備技術要求類、耐久性試驗類劃分為三個層面。按照結構合理、層次清晰、覆蓋全面、相互協調、適應需求的總體目標，滿足系統性、協調性、兼容性、創新性、開放性的原則。

第一層：海上風電基礎通用類標準1項，NB/T 31094—2016《風力發電設備海上特殊環境條件與技術要求》；

第二層：海上風電關鍵設備類標準，按照風力發電機組的關鍵部件構成，主要由風力發電機、風電變流器、風電主控制系統等關鍵設備組成。

風力發電機方面：包括NB/T 31063—2014《 海 上 永磁同步風力發電機》、NB/T 31064—2014《海上雙饋風力發電機技術條件》；

風電變流器方面：包括NB/T 31042—2019《海上永磁風力發電機變流器技術規范》、NB/T 31041—2019《海上雙饋風力發電機變流器技術規范》；

風電主控制系統方面：包括NB/T 31043—2019《海上風力發電機組主控制系統技術規范》。

第三層：海上風電耐久性試驗方法，按照風力發電機、變流器、控制系統、結構件進行劃分，如下：NB/T 31134—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：發電機》、NB/T 31135—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：控制系統》、NB/T 31136—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：變流器》、NB/T 31137—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：結構件》。

三、我國海上特殊環境條件要求

風力發電設備在不同的海洋氣候類型下服役時，其所處的不同海域環境條件存在較大的差異，其中渤海屬于溫暖海洋氣候、黃海涵蓋暖溫海洋氣候和亞濕熱海洋氣候、東海主要屬于亞濕熱海洋氣候、南海屬于濕熱海洋氣候。

根據我國四大海域的主要特點，即渤海和黃海氣溫較低，降霜日數較多；東海和南海氣溫較高，年降雨量較大，同時臺風也更為頻繁，要求風電電器設備在沿海地區應重點關注高溫、高濕、鹽霧、臺風、雷電、水文條件等因素的影響。

對 此，NB/T 31094—2016《 風力發電設備 海上特殊環境條件與技術要求》規定了氣候條件參數如表1所示。

與此同時，規定了風力發電設備在渤海、黃海、東海、南海等四大海域海上服役過程中所處的環境參數組分級、嚴酷程度、技術要求、試驗方法、防護措施等，并對海上氣候環境、機械環境、化學環境、生物條件、電磁環境、水文條件進行了規定，見下圖。

同時在環境耐受性、凝露及耐潮適應性、防腐能力、防霉能力、振動試驗、傾斜和搖擺試驗、電磁兼容、雷電以及外殼防護等方面針對風向風速儀、發電機、變流器、主控制系統均做了相關驗證試驗要求。

四、我國海上特殊環境對關鍵部件的技術要求

在我國東海和南海等海域，臺風頻發，臺風對風電設備結構會形成周期性激蕩，此時如果湍流產生的周期恰好與風力發電機組固有振動周期相時，控制系統設備結構就會產生橫向的共振，最終會導致破壞設備。同時，在這些區域雷暴頻繁，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、控制元器件燒毀等故障，因此，風電設備需注意防雷，避免控制系統等設備遭受雷擊而損壞。

表1 氣候條件參數

對此，為滿足相關零部件生產方、使用方等使用需求，在NB/T 31094—2016《風力發電設備 海上特殊環境條件與技術要求》的基礎上，確定了海上風電關鍵電器設備標準系列，覆蓋風力發電機、風電變流器、風電主控系統等方面。

（一）風力發電機

NB/T 31063—2014《海上永磁同步風力發電機》、NB/T 31064—2014《海上雙饋風力發電機技術條件》重點規定了風力發電機的環境適應能力要求、材料及結構要求兩個方面，其余技術要求均參照陸上風力發電機標準執行。

環境適應能力方面，包括發電機應具備耐潮性能、發電機繞組和絕緣材料應具備防霉能力、金屬電鍍件和化學處理件應具備耐鹽霧性能。

材料及結構要求方面，應采用滯燃、耐久、耐潮和低毒的材料，針對凝露方面，確定了發電機內部應設置加熱裝置。

（二）風電變流器

NB/T 31042—2019《海上永磁風力發電機變流器技術規范》、NB/T 31041—2019《海上雙饋風力發電機變流器技術規范》重點規定了風電變流器的結構及外觀要求、電氣元器件要求、性能要求。

結構及外觀要求方面，柜體宜采用鋼制防腐設計、柜體內部宜裝設除濕裝置、應能承受運行環境下電、熱、機械強度和振動對設備的影響。

電氣元器件要求方面：確定了陶瓷材料外的所有固體絕緣部件都應具有耐熱性、耐燃性。

性能要求：規定了變流器應具備冗余功能。此外，變流器的耐高溫、耐低溫、耐濕熱、耐鹽霧、耐霉、耐振動均確定了相關技術要求與試驗方法。

（三）風電主控制系統

NB/T 31043—2019《海上風力發電機組主控制系統技術規范》重點規定了風電主控制系統柜體、元器件、安裝、功能、性能等方面要求。

柜體：柜體采用鋼制防腐設計，防護等級不小于IP54，且宜裝設除濕裝置。

元器件：應具備耐濕熱性能、耐熱性、耐燃性。

安裝：采用減震結構。

功能：提高了故障記錄和事故追憶時段。

性能：耐振動性能、冷卻與溫升、柜內濕度、耐霉性能、耐鹽霧性能、耐濕熱性能、耐低溫性能、防雷、冗余等方面技術要求。

（四）關鍵部件技術指標比對

根據風力發電機、風電變流器、風電主控制系統的氣候環境參數、防護等級、防腐能力、防霉能力、保護功能以及冗余性等方面要求，詳見表2。

五、我國海上特殊環境對關鍵部件耐久性試驗要求

在風力發電機組服役期間，其關鍵部件的質量和可靠性需經過長時間的運行情況得以驗證與反饋，對此海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價系列標準，首次為我國海上風電用關鍵部件的耐環境適應性提出了要求，以試驗目的、試驗對象、試驗設備、試驗過程、試驗合格判據為編制框架，確定了相關產品的耐久性試驗要求，保證了海上風力發電機組用關鍵零部件的質量與可靠性，同時，也為我國海上風力發電設備及相關部件的設計和生產提供重要的技術依據。

（一）風力發電機

NB/T 31134—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：發電機》確定了主要環境條件包括潮濕、鹽霧、霉菌等。針對不同安裝位置、低速風力發電機、中高速風力發電機的不同試驗對象確定了其耐久性評價要求，主要包括耐恒定濕熱試驗、耐交變濕熱試驗、耐鹽霧試驗、耐交變鹽霧試驗、耐霉菌試驗。

（二）風電變流器

NB/T 31136—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：變流器》確定了主要環境條件包括氣候環境、化學環境和生物環境，針對耐低溫試驗、耐高溫試驗、耐濕熱試驗、耐交變鹽霧試驗、耐霉菌試驗等關鍵耐久性評價內容進行了規定。

（三）風電主控制系統

NB/T 31135—2018《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價：控制系統》確定了主要環境條件包括溫度、濕度、鹽霧、霉菌等。針對耐低溫試驗、耐高溫試驗、耐濕熱試驗、耐交變鹽霧試驗、耐霉菌試驗等關鍵耐久性評價內容進行了規定。

（四）關鍵部件耐久性技術指標比對

根據風力發電機、風電變流器、風電主控制系統的氣候環境參數、防護等級、防腐能力、防霉能力、保護功能以及冗余性等方面要求，詳見表3。

表2 關鍵部件技術指標比對

表3 關鍵部件耐久性技術指標比對

六、總結

海上風電電器設備環境適應性標準體系及其關鍵標準，針對國內海上風電環境的耐濕熱、耐鹽霧、耐霉等技術要求以及冗余設計方面提出了新的規定，此外，首次提出了關鍵電氣產品耐久性試驗方法，技術內容覆蓋產品的研發、設計、試驗等各個環節，同時，在產品可靠性和質量方面，提供了及時、準確的試驗、改進和驗證依據。上述標準在實施過程中，受到了國內大多風力發電機組及關鍵零部件供應商、使用方的廣泛關注。

經過十余年的發展，我國海上風電發展積累了豐富的技術經驗，其中近海風電已進入規模化發展階段，現階段，雖然海上風電是度電成本最高的可再生能源之一，但隨著技術進步、產業升級、政策導向等影響，我國近海風電產業將進一步健全，我國海上也必然從近海、淺海走向遠海、深海，大兆瓦海上風力發電機組、海上柔性直流輸電系統、海上風電施工等技術將成為下一步海上風電發展方向。我國海上風電標準化工作將繼續依托現有技術成果、工程實踐的有關經驗，進行有效的修訂和補充，進一步健全并完善我國海上風電標準體系。