风电机组与“预防式消防”理念

（西门子基础设施及城市业务领域中低压业务集团中低压产品业务部，德国雷根斯堡，93055）

（西门子基础设施及城市业务领域中低压业务集团中低压产品业务部，德国雷根斯堡，93055）

本文探讨了风电机组消防的难点和必要性，进而提出了“预防性消防”这一理念，并列举出可用于“预防性消防”及灭火系统的中低压产品及解决方案。

风电机组；消防；预防性消防

0 引 言

人类开发风能已有近四千年的历史，在能源结构发生巨变的今天，风电资源异军突起，吸引着众多企业投入大量技术和资金。在建的风电场遍布陆地和沿海，单机容量越来越高，风场规模也越来越大。

以德国为例，2012 年，风电占德国电力产出的7.7%[1]，在网风电机组超过23,000个，总发电能力超过31,307MW[2]。其中不乏转子直径90多米，单机容量2.5 MW的大型风电机组，其高度从80m到130m不等（根据所在位置不同）。甚至有高达6MW的风电机组[3]。单机容量不断增大已成为风电市场发展的总体趋势。

而随着单机容量的增大，引入风电机组的消防理念尤为重要。对于处于露天区域的风电机组而言，一旦由于雷击或技术缺陷而发生火灾，灭火对于消防部门将是一个大难题。整个风电机组系统有可能因此遭到彻底破坏。

1 风电消防的意义

无论风电机组坐落在陆上还是海上，投资商的资金投入都是巨大的，所以保护显得尤为必要，这样才能使风电机组在保值的同时创造利润。在发达国家，避免潜在风险，例如火灾，符合风场投资商和保险公司的利益。所以，全面的消防理念对于防患于未然很必要，其包括：预防性消防保护、完整的火灾报警和灭火系统。

造成风电机组起火的风险因素很多，比如：雷击。风电机组一旦遭受雷击，并非只有转子叶片面临危险，发电机和传感器等非直接暴露在外的系统也会由于感应雷同样面临损坏的危险。此外，风电机组设计时的技术缺陷也会引起火灾。由于风电机组系统中存在大量电子元件，因此存在特别高的潜在风险。断路器或控制电子故障，元件设计不合理、电气保护理念不足（例如缺少绝缘故障检测），都可能导致火灾。但起火原因绝不仅限于此，还有很重要的一点，由超负荷的机械制动引发的热量和火花，机油系统泄漏、发电机轴承或传动轴承润滑不足而产生的机械超载都有可能会引发火灾。

一旦起火，机舱的内部隔音设备，其塑料附件，电缆、电气安装、液压系统或驱动器的机油等，这些零部件都是可燃物，这对于风电机组简直就是“火上浇油”。然而，在130m的高空中完成灭火工作对于消防部门来说难度是非常大的。对于海上风电，发生火灾后人工干预几乎是不可能的。对投资商而言，火灾带来的除了运营中断或投资损失外，同样意味着对周边生态和电力经济的破坏，还有在日益敏感的公众面前名誉损失等诸多负面打击。

如何引入适当的消防措施来保护风场投资商的利益，德国劳氏船级社以及独立测试机构 VDS 已经针对风电机组的消防问题出台了相关的指导方针。这些方案不仅适用于新安装的设备，对于使用寿命要求20年的在役风电机组而言，也需要改进火灾报警技术和灭火技术。

2 “预防性消防”理念

如上所述，风电机组发生火灾无法通过传统灭火方式熄灭，消防理念的焦点应该集中在预防上。这是避免严重经济后果的唯一有效途径。对于消防解决方案提供商而言，能够提供针对各种起火原因的产品组合是至关重要的。

2.1 雷击

为预防雷击起火，必须依据风轮机类型，调整雷电过压保护。为提供最佳保护，风险评估必须考虑到雷击的可能性路径。例如，雷电击中转子叶片，然后经轮轴、机舱和涡轮塔传至基座。通常需要安装避雷针或避雷器，避免风电机组低压系统由于直击雷而导致过压和高电流。

2.2 电气系统的消防

包括熔断器、断路器以及剩余电流监控设备在内的消防技术，能够选择性识别故障并及时切断故障的电气设备，例如变压器、导体或发电机。另外，消防系统必须确保能够立即停机，并向远程监控系统发送故障信息。

此外，交叉保护的理念很必要。相邻设备之间的保护装置紧密相连，以达到为彼此提供后备保护的效果。比如，一个合适的配置，不但可以预防由于低压系统中的电弧故障及断路器故障而引起的过火风险，而且能够诊断故障并自动打开变压器高压侧的中压开关，使故障组件能够有选择地从系统中被断开。

3 “预防性消防”产品

在全面的消防理念中，监测和保护装置可以确保风电机组的长期有效使用。

3.1 空气断路器

空气断路器用于分断和保护风电机组的主电路，也可以断开与电网的连接，从而确保维修保养工作能安全进行。断路器能够防止由于电流过载和短路引发的火灾，并针对电源过载后的过热提供保护。空气断路器还可为火灾管理系统提供报警信号。

3.2 塑壳断路器

塑壳断路器用于分断和保护辅助电路。同空气断路器一样，塑壳断路器也能防止由于过载引起的过热，并发出报警信号。

3.3 半导体熔断器

半导体熔断器能够防止功率组件，特别是变流器的IGBT 故障而引发的火灾，并保护变频器晶闸管的软起动器等装置免受短路影响。

3.4 剩余电流监控装置

剩余电流监控装置能够通过指示剩余电流，来监控隐蔽的电气安装接地故障。当检测数据超过设定值时，便会触发警报信号，在剩余电流引发火灾前执行预防性维护。

3.5 多功能检测仪表

多功能检测仪表能够对风电机组的馈电质量进行检测，并可监控发电电路中的变量，从而提早发现电路过载和故障，避免随之产生的损失。

3.6 剩余电流保护器

剩余电流保护器对于确保个人安全至关重要，它们能够避免维护人员因直接或间接接触致使的电击危险，同时对因触电引发的火灾提供保护。保护装置用于剩余电流检测，例如可能由绝缘故障而引发的剩余电流，通过关闭被扰回路避免起火。B 型和B+ 型通用电流敏感剩余电流动作断路器同样能够确保为风电机组直流剩余电流提供可靠保护。

3.7 母线槽系统

在风电机组上安装母线槽系统比安装电缆更能有效防火。与采用 PVC 绝缘电缆相比，母线槽系统大大降低了火灾负荷。其耐老化涂层同样能够确保导体的高度表面防护性能。出线单元的高短路强度及应对雷击的高热负荷，进一步增强了母线槽系统的优势。

根据风力发电建设和运营商的需求，可以安装额外的监控和保护装置，当检测系统进入关键状态可以及时采取干预措施，防止火灾。

4 火灾报警系统和灭火系统

如果在层层预防措施下，火灾还是不可避免地发生了，自动火灾报警系统和灭火系统能够将损失和停产时间降到最低。

4.1 监测

报警系统对烟雾、热量及火焰具有高度敏感性，可同时进行视觉监测及热监测，能够提早监测到火灾并向中央火灾报警系统传送信息。这样可以立即关闭风电机组，并启动灭火系统。为了最大限度确保安全，所有关键点都需安装指示器，从机舱、控制柜一直到基座。

4.2 灭火系统

风电机组的高度和位置给传统防火方式提出了极大考验。现代自动灭火系统优势明显，例如西门子Sinorix解决方案。一旦爆发火灾，报警系统能立即激活。两种不同类型的灭火技术相结合可以实现最佳防护。对电气系统而言，最合适的是气体灭火，使用二氧化碳、氩气或氮气，它们能够迅速可靠地熄灭火源，而灭火剂对敏感电子设备也不会造成损害。而现代水气化技术则对控制明火十分有效，当机械部件如机舱、液压装置或制动器起火时，该技术是最佳选择。这些灭火系统通过喷射细水蒸汽，能够迅速熄灭明火并且有最佳的冷却效果。本文运用正交试验设计，建立试验模型，根据正交试验的结果，运用数据统计分析软件SPSS18.0进行多元线性回归分析，建立了优化模型的目标函数、设计变量和约束条件，结合工程实际确定了设计变量的取值范围，最终建立塔架结构优化的数学模型。在此基础上，应用MATLAB优化工具箱对模型进行求解，得到了优化结果。在满足塔架结构极限应力、疲劳、屈曲和模态要求的前提下，减轻了8.93%的塔架质量。

5 结论

陆上和海上的风场都是投资巨大的项目。这些昂贵的风电机组迫切需要合理的消防理念实现有效保护。预防式消防是避免事故发生的有效措施，也是保障机组和工作人员安全的必要前提，将会引起人们的高度重视。

[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.

风电机组与“预防式消防”理念

迈克尔•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。

迈克尔•恩斯特（1963-），男，本科，负责西门子基础设施及城市业务领域中低压集团中低压产品业务部应用与行业领域市场部工作。