高海拔风电机组发电机设计要求

谢生清

（新疆金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐，831800）

高海拔风电机组发电机设计要求

谢生清

（新疆金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐，831800）

本文针对高海拔环境特点，介绍了高海拔环境对风力发电机的影响。从影响发电机散热和绝缘两个最主要因素的角度，阐述了高原型发电机散热设计技术要求，分析说明了发电机电气绝缘、电气间隙、耐受电压修正及设计要求，对高原型风力发电机设计具有指导意义。

高海拔；发电机；散热；温升补偿；绝缘

引言

目前我国已开发的风电工程项目85%以上集中在非高海拔区域［1-2］，而作为风资源相对较好的西部、西南高海拔地区（如青海、西藏、云南等区域），尽管近几年各风电开发商陆续开发了一些高原风场，但从其总量而言，风电工程项目比重还是较少，仍有较大的潜力。以上区域理论可开发容量和工程可开发容量巨大，具有规模化开发的资源条件和环境条件。

建设在高海拔地区的风场所采用的风电机组与非高海拔地区有所不同。在非高海拔地区使用的风力发电机，并不会因为海拔的差异而制定特殊的设计要求。

对于安装在高海拔地区的风力发电机，由于海拔高度较高，空气密度、大气压力、气温、空气湿度等都发生了变化，从而对该区域使用的发电机提出了新的要求，从设计上需要做适应性的特殊设计才能保证电机在该环境条件下正常工作。为便于读者了解高海拔环境对风力发电机的影响以及高原风电机组发电机设计特点，本文对适用于高海拔地区的高原型发电机设计要求进行了分析。

1 高海拔地区主要气候特点

高海拔地区具有较恶劣的自然气候条件，对电气电机类设备性能影响较大，其特点包括：

（1）空气密度较低（大气压低）；

（2）空气温度较低，气温日变化剧烈；

（3）日照时间长，太阳辐射强；

（4）空气绝对湿度较小；

（5）年降水量较小；

（6）空气干燥、雷暴日较多，土壤电阻率较高；

（7）每年大风日较多。

我国高原电工产品环境技术标准化技术委员会等归口机构做了大量高海拔的研究工作，高原环境条件参数详见表1（符合GB/T 20626.1-2006）。

2 高海拔气候条件对风力发电机的影响

2.1空气密度低对发电机外绝缘强度与电气间隙的影响

表1　高原环境条件参数

海拔增高，空气密度降低，导致电工产品外绝缘强度降低。对发热较大的发电机设备、变压器等影响较为显著，尤其是同时出现高相对湿度时的情况更为严重。大气压力或空气密度的降低，引起发电机外绝缘强度的降低，在标准海拔至5000 m范围内，每升高1000 m，平均气压降低7.7 kPa ～ 10.5 kPa，外绝缘强度降低8%～13%。同时，高海拔时具有较大的日温差，容易使电机设备发生凝露，促进腐蚀，降低表面电阻，从而使绝缘强度降低。风力发电机在高原气候条件下工作时，电机的绝缘性将降低，给人员及设备安全均带来不利影响。

随着高海拔继续增高，空气压力降低，电机绕组的起始电晕电压也降低［3，4］。根据帕邢定律：在均匀电场中，击穿电压与电极距离和气压的乘积成正比。在高海拔地区，如果不提高发电机的设计电气间隙，发电机的击穿电压等级将会下降，设备的性能将无法得到保证。

2.2空气密度降低对发电机温升的影响

在高海拔地区，由于环境大气密度降低，使以空气对流为主要散热方式的电气产品散热困难，温升增加。海拔增高，环境温度降低，有时可部分补偿因海拔升高所引起的产品温升增加值，但由于不同产品的散热特点不同、工作时产生的发热量不同，高海拔气候条件对设备温升仍有不同程度的影响。目前风力发电机一般都是兆瓦级，发电机在运行时，会产生大量的热，冷却散热方式多是自然通风冷却或强迫风冷。对于设备温升，昆明电器科学研究所验证：在海拔5000 m以内，每升高1000 m，设备温升增加3%～10%。对于空气自然对流散热冷却的电气设备，其温升增加可能会小一些；对于强迫通风冷却的电气设备，其温升增加可能会大一些。海拔每升高100 m，一般电气产品温升增加最大0.4 K，发电机设备温升增加额定值的1%。

3 高原风电机组发电机设计要求

3.1电气绝缘设计要求

由于高海拔地区气压的降低，发电机电晕电压减小，设备绝缘强度降低，因此需要对发电机绕组的绝缘进行优化，以提高绝缘强度。绝缘强度的提高措施主要包括绝缘材料的选择、绝缘结构的设计等。如采用耐电晕漆包线，并在定子槽内喷耐电晕绝缘漆，增加绕组的槽满率，若间隙大则可以在绕组和槽间安装防电晕波纹板，槽内垫条采用防电晕材料等。加强绝缘强度，提高绕组的起晕电压，使发电机组满足在高海拔地区长期、安全可靠地运行，电机绕组起晕电压与大气气压关系为:

其中：

Ukh——海拔在h处时电机起晕电压；Uko——标准大气压下电机起晕电压；p——在海拔高度为h处的大气气压（设计时选取值参见表1）； t——风力发电机组安装点的最高气温。

3.2电气间隙修正

对于高原型风力发电机设计，应按要求增大电气间隙，其设计修正系数按照表2执行（满足GB/T 20626.1-2006，高原电工产品）。

对于安装在高海拔的风力发电机，电气绝缘距离与海拔高度的关系式为

其中：

LM——海拔H处的电气绝缘距离；Lo——标准大气压下设计的基准电气间隙；K1——电气间隙修正系数；下标H为风力发电机组安装的海拔高度。

表2　电气间隙修正系数表

3.3工频耐受电压和冲击耐受电压设计要求

在海拔2000 m以上高原环境条件下使用的高原型发电机设备，应具备产品性能所要求的工频耐受电压能力和冲击耐受电压能力。耐受电压值应符合常规性发电机产品标准的要求，同时当风力发电机安装的地点海拔和测试试验地点海拔不同时，试验电压值应乘以修正系数。高原风力发电机的工频耐受电压、冲击耐受电压宜按表规定确定的修正系数进行试验修正（符合GB/T 20626.1-2006，高原电工产品），如表3所示。

对于安装在高海拔的风力发电机，试压电压与海拔高度的关系式为:

其中：

U0——标准大气压下额定试验电压；Ka——海拔修正系数；下标H为风力发电机组安装的海拔高度。

表3　频耐受电压和冲击耐受电压的海拔修正系数表

3.4 发电机温升设计要求

随着海拔高度的增加，大气压强逐渐降低，空气密度减少，因此单位空气的比热容降低，从而造成发电机散热效率的降低［5］。发电机在工作中，绕组导致电流通过，从而产生热量。在电压恒定的条件下，功率同电流成正比关系，而绕组的发热（即铜损）同电流的平方成正比，那么发电机的发热量同功率的平方成正比关系，即当风电机组达到满发时，发热量最大。

发电机温升设计要求如下：

（1）对于高原型风力发电机，在高原环境条件使用时，发电机设计温升限值不应超过常规型相应产品标准规定的值，同时也不应超过GB7251中对应的产品标准规定的温升限值；

（2）若环境温度的降低值能够补偿电机散热不良而引起的温升增加值，或者发电机温升裕量较大，测试计算后温升仍低于绝缘材料允许温升，那么设计的发电机产品额定容量或额定电流值可以保持不变，风电机组可以按照原负荷运行；

（3）若发电机温升的增加值不能被环境温度的降低值所补偿，尤其当风电机组负荷不能减小，但温升又肯定增加时，则应提高发电机散热能力，重新设计散热冷却系统，加大设备散热功率、提高散热效率等措施，或者也可以用提高电机绝缘材料等级的办法来解决。此外，对于高原发电机的温升设计，理论估算不能完全作为最后定论，要以试验值作为定论依据。

4 结束语

我国高海拔地区面积宽广，高原风机相关的国家标准在逐步建立与完善中，由于环境条件对电机电气设备的正常工作影响很大，且在高海拔使用的风力发电机属高发热的电气设备，因此，在高海拔地区安装的风机，要进行相应的高原适应性设计与优化。本文通过高海拔环境对风力发电机的影响分析，结合高原电气电工产品国标要求，主要从电气绝缘修正、发电机工频/冲击耐受电压、发电机温升几个方面对高原型风力发电机设计要求进行了概要说明。除此之外，高海拔环境对金属结构件的抗低温型和冷热冲击、绝缘材料的耐低温性能等也有影响。

在工程实际问题中，除了设计要求外，还要辅助相应的高原环境适应性试验，使产品的技术性能和可靠性真正达到高原使用要求。

［1］GB/T20626.1-2006. 高原电工电子产品通用技术要求［S］.

［2］陈开运. 高海拔电气设备工作特点及设计要求［J］. 机车电传动，2005（2）:19-22.

［3］邵平安. 高海拔异步风力发电机设计解析［J］. 电机与控制应用，2011， 38（5）:47-50.

［4］王富， 王杰， 徐学渊. 高原风力发电机组的设计及改进［J］. 电站辅机， 2009， 30（3）:19-22.

［5］白树华， 卢继平. 西藏高原环境对风力发电的影响分析［J］. 电网技术， 2006（S1）:5-8.

谢生清（1977-），男，汉族，风电系统设计工程师，从事风电机组的开发、设计及产品技术管理工作。

E-mail: xieshengqing@goldwind.com.cn

Design Requirements of High Altitude Wind Turbine Generator

Shengqing Xie（Xinjiang Goldwind Science &Technology Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang， 831800， China）

This article describes the effects of high altitude environments for wind turbine， according to the characteristics of high altitude environment， from the scope of two most important factors - influence of the generator cooling and insulation， and expounding the thermal design requirement for high altitude generator. Also， analyze and expound the correction and design requirements of generator electrical insulation， clearances， and withstand voltage. This paper has instructive significance for the design of high altitude wind turbine.

High Altitude； Generator； Heat Dissipation； Temperature Rise Compensation； Insulation

TM614

B

2095-8412 （2016） 04-711-04

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.034