浅谈风力发电机绝缘系统评定方法标准的制定

文／全国电气绝缘材料与绝缘技术系统评定标准化技术委员会 刘亚丽 郭丽平／

一、前言

近10年风力发电增长迅猛，2001年以来, 全球每年风电装机容量增长速度为20%～30%[1]。我国风力发电从20世纪80年代末开始起步，截止2011年6月，我国累计风电装机容量44.73吉瓦，超过美国跃居世界第一。在我国风力行业迅猛发展的形式下，风力发电的安全性、可靠性备受关注。风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机。其中发电机的主要部分是绝缘系统，绝缘是保证发电机稳定运行的因素之一。

风力发电机绝缘系统评定方法标准的制定可从风力发电机的种类、风力发电机运行的环境综合考虑。除满足发电机一般电气性能和机械性能要求外，应结合风力发电机运行的特殊环境出发，如运行和停机温差大、潮湿、盐雾、低气压等，在标准中增加环境因素（单因子/多因子）老化性能的评定方法。高湿度、高盐雾、高污秽等极端气候环境因素对发电机绝缘系统的影响是一个极其重要的问题，这是其他发电机（汽轮发电机和水轮发电机等）所不具备的条件。随着风力发电机电压等级的提高，高海拔（低气压）的影响会尤为明显。

本文从风力发电机的分类和运行环境两方面概述制定风力发电机绝缘系统评定方法标准应着重考虑的因素，并简要概述风力发电机绝缘系统评定的试验方法。

二、风力发电机的分类

按照风力发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机。按照风力发电机的功率分为微型风力发电机、小型风力发电机、中型风力发电机和大型风力发电机，如表1所示。不同类型的风力发电机在结构上有所不同，制定风力发电机绝缘系统评定方法标准应考虑不同结构的发电机，其额定功率、额定电压及是否连接变频器等因素。变流器中快速开关器件逆变和主动整流的器件，实测表明在变流器两侧(电机和电网)都形成陡上升沿脉冲电压。一些连接变流器与发电机定子或转子的电力电缆最长超过80m，加上电缆与发电机线圈的波阻抗不匹配，从而产生重复脉冲尖峰过电压作用于电机定子或转子线圈。重复脉冲对电机定子线圈对地绝缘产生影响，可能造成主绝缘老化，降低电机绝缘系统的可靠性。所以在制定评价方法标准时，应从电机的额定电压/功率、是否连接变频器出发。

表1 风力发电机按照发电机功率分类

三、风力发电机运行环境

在制定风力发电机绝缘系统评定方法标准时，应综合考虑我国地理国情，风电场多建设在东北、华北、西北及东南沿海一带，风力电机运行的自然环境湿度、温度和盐雾条件不同，对风力发电机的绝缘系统稳定可靠运行带来影响，所以在制定标准时应考虑风力发电机特殊的运行环境给电机绝缘系统带来的影响。

低温低湿度环境

我国东北、华北、西北地区风能资源丰富，十分有利于风力发电。但这些地域广阔，纬度跨度大，温度变化巨大。在低温天气下，空气密度增大，风电机组在同风速下得输出功率增大，控制系统处理不当，容易出现超发甚至超负荷的情况[2]。超负荷负载对风力发电机的绝缘系统耐电老化产生影响。风力发电机转子和定子的绝缘系统几乎完全暴露在户外气候状态，运行温度范围是40°C～100°C 。在极端的低温低湿度气候条件下，由于频繁启停机导致的温度变化，温差高达120°C左右，冷热交变在绝缘系统中产生的热机械应力作用。随着风力发电机电压等级及容量的提高，热机械应力作用更突出，会导致绝缘系统发生热老化，影响电机稳定运行。可见，制定绝缘系统评定方法标准时，应加入低温度、低湿度环境因子老化试验。

雷电冲击

我国东南沿海和北部山区是风能资源丰富的地区，但该地区地形复杂，雷暴日较多。雷击是自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等[3]。大功率风电机组叶片顶端可达高度150m，加上机组坐落在山丘和开阔区域，气流的活动和变化极其频繁，雷电流产生的过电压将对低电压等级、薄绝缘厚度、低耐受电压水平的风力发电机绝缘系统造成很大的威胁。这表明耐雷电波冲击试验，对多雷电地域的风力发电机是必须评定的试验。

盐雾环境

我国建设海上风力发电的主要地区为东南部沿海，但该地区属亚热带季风气候区，盛行海陆风。盛行的海陆风把含有盐分的水汽吹向风电场与设备元器件大面积接触,

盐雾中高浓度的NaCl迅速分解为Na+离子和Cl-离子,与金属材料发生化学反应生成强酸性的金属盐, 在叶片表面形成覆盖层, 严重影响了叶片气动性能；并经过一系列的化学反应后使设备原有的强度遭到破坏, 生成氧化合物使电气触点接触不良, 导致电气设备故障或毁坏, 使风力发电机组的承受最大载荷的能力大大降低, 使设备不能达到设计运行要求, 给设备安全运行带来严重后果。给风场的安全、经济运行造成大的影响[4]。高盐雾导致发电机发生故障或毁坏，所以制定标准时应考虑盐雾对风力发电机绝缘系统可靠性运行的影响。

四、风力发电机绝缘系统评定的试验方法

考虑风力发电机的结构及其运行环境建议绝缘系统评定的试验方法包括电气老化评定、环境因素评定（单因子/多因子老化评定）。

1.电气老化评定方法

电气老化评定可包括工频电老化试验和重复脉冲电老化。

（1）工频电老化

工频电老化试验，典型的脉冲电压寿命与时间的关系曲线为：t=6.82×106(U/UΦ)

其中：U/UΦ——剩余安全裕度，当U/UΦ=1.5时，即1.5UΦ（或0.87UN）电压下，使用寿命可预期达到约43年。

（2）重复脉冲电老化

对于重复脉冲电老化试验，电老化寿命和电压幅值的一种形式关系可通过反幂律来表示：L=kU-n

其中：L——寿命，即试品达到特定失效概率的时间或脉冲重复次数；U——施加的重复脉冲电压最大峰值；n——电压老化指数（VEC）；k——常量。

也可用其他的形式来表示电老化寿命与电压幅值的关系。例如，指数模型：L=Ae-hu

其中：A和h是常量。

2.环境因素评定（单因子/多因子老化评定）

影响风力发电机运行的环境因素包括高湿度、高低温变、盐雾、污秽、高海拔（或低气压）等，由于发电机环境条件的多样化和特殊性，可规定环境因素主要包括高湿度、高低温变、盐雾环境等单因子/多因子老化试验。

五、结语

本文从风力发电机分类和运行环境两方面出发，论述了制定风力发电机绝缘系统评定方法标准应着重考虑的问题，并概述性提出评定风力发电机绝缘系统的试验方法，可为风力发电机绝缘系统评定方法标准的制定提出参考性建议。

[1] 程明,张运乾,张建忠.风力发电机发展现状及研究进展.电力科学与技术学报,2009,24(3):1-9.

[2] 孙鹏,王峰,康智俊.低温对风力发电机组运行影响分析.内蒙古电力技术,2008,26(5):8-10.

[3] 王帅.自然环境对风力发电机组安全运行的影响分析.中国安全生产科学技术,2009,5(6):214-218.

[4] 梁志强,莫银锋,李添宾.盐雾对风力发电机组的危害及对策.华人风电论坛.