高海拔对风电电机的影响

高海拔对风电电机的影响刘泽永摘要根据高海拔气候特点，分析了风电齿轮箱润滑系统用拖动电机与低海拔地区使用时相比的散热变化情况，并提出了利用机舱散热设备减小海拔高度变化对电机的影响。 1引言随着低海拔风场的逐步被开发，高该海拔地区的风场日益成为开发的重点，这些地区的海拔高度对风机运行产生的影响有哪些，可参考的资料较少，增加了产品使用后出问题的风险。因此，在产品设计时尤其要谨慎，对设计所依赖的计算条件要贴近实际并尽量从严要求，这可以在产品开发初期减少故障率。2高海拔的气候特点及影响 2.1 高海拔下的气候变化随着海拔增加，变化较大的是气压、空气密度和环境温度，并伴随着紫外线强度等的变化。空气密度与海拔高度的关系如下表1所示。表1 海拔高度与空气密度的关系海拔高度0100020002500300040005000相对大气压力10.8810.7740.7240.6770.5910.514相对空气密度10.9030.8130.7700.7300.6530.583绝对湿度(g/m3)117.645.304.423.682.541.77注：标准状态下大气压力为1，相对空气密度为1，绝对湿度为11g/m3。从表中可知，海拔高度每升高1000m，相对大气压力降低约12%，空气密度降低约10%，绝对湿度随海拔高度升高而降低。无遮蔽的自然流通空气的温度随海拔高度的升高而降低，一般研究所采用的空气温度随海拔高度的变化关系如下表2所示。表2 海拔高度与空气温度的关系海拔高度(m)1000150020002500300035004000最高气温()4037.53532.53027.525平均气温()2017.51512.5107.55从表2可以看出：一般情况下，海拔高度每升高1000m，空气最高温度降低5，平均温度也降低5.在海拔高速小于15km的区间内，宇宙射线粒子数随海拔高度的增加而增加。粒子强度相对变化趋势如图1所示。图1 宇宙粒子强度随海拔高度变化2.2高海拔对电机的影响2.2.1对绕组电晕的影响气压降低使绕组的起始电晕电压降低。根据帕邢定律：在均匀电场中，击穿电压和电极距离与气压的乘积成正比。因此，在电气距离不变的情况下，气压降低会造成气隙的击穿电压降低。根据可知，在海拔2000米以上如果不采取绝缘加强措施，则需要将电气间隙加大，电气间隙的部分修正系数如下表3所示。表 3 海拔高度与电气间隙的修正关系海拔高度（m）正常气压kpa电气间隙相对值200080.01.00300070.01.14400062.01.29500054.01.48600047.01.70700041.01.95800035.52.25900030.52.621000026.53.02注：400/690线电压系统，在海拔高度2000m及以下的电气间隙距离为8mm。对于高海拔使用的电机则只能通过使用耐电晕绝缘系统替代低海拔电机的绝缘来实现，电机的绝缘等级并不改变。耐电晕绝缘将采用耐电晕漆包线，并在定子槽内喷耐电晕绝缘漆，增加绕组的槽满率，如果间隙大则在绕组和槽间塞防电晕波纹板，槽内垫条采用防电晕材料等。耐电晕漆包线标准可以参照变频电机用的耐电晕漆包线国家标准。2.2.2 对电机冷却的影响中高速风力发电机机舱内发热部件包括齿轮箱和发电机，部分有变流器。齿轮箱和发电机发热功率大，配备专用的冷却系统。齿轮箱冷却系统多是油-空气冷却器，发电机有空-空和水-空气冷却两种。以空气为冷却介质的都直接将热空气排出舱外。机舱布置大部分如图2所示。油冷却器齿轮箱发电机图 2 机舱设备的散热方式假设海拔1000m时机舱最高温度为50，此时舱外环境温度为40。则在将机组转移到4000m时舱内要有同样的散热功率，则换热空气的温升为13.83，此时机舱温度为38.83。假设润滑冷却系统电动机在海拔1000m时的绕组温升达到60，绕组最高温度达到110。我们将电机表面的极薄一层空气作为交换介质，依据文献1的冷却风量估算公式，开启式电机散热空气的温升与绕组的温升的关系为：t=0.25ts (2)t:换热空气温升；ts:电机绕组平均温升限值。海拔1000m时电机表面换热空气温升为15，则在4000m时的换热空气温升为20.7，并反推知在海拔4000m时电机绕组温升82.8，绕组的最高温度达到120。绕组温度高于在海拔1000m的温度，并对电机的绝缘寿命产生不良影响。由以上分析可知，如果机舱由低海拔到高海拔而换热设备不变，将对机舱内的设备散热产生不利影响。因此，整机的机舱的换热设备需要加大换热功率。三防范措施由于齿轮箱冷却系统和发电机冷却器直接将热量带出机舱，所以最经济最有效的方法是加大这两个换热设备的换热功率。对于机舱内的设备，除了防电晕处理外，其他不需要加强。有的电机厂会推荐电机功率升机座号处理，这样会造成电机效率的降低。机舱内的电机与其他室内工作的电机不同，其他普通室内电机是不会进行强制通风冷却处理的，由于其封闭性室内的温度并不会比低海拔地区低太多，这样电机的温升很容易受到散热条件的影响，因此电机需采用降额处理。西门子电机在高温和高海拔地区使用时的降额系数如下表4：表 4 西门子电机随海拔和温度的降额系数总结通过定性分析高海拔气候变化得到机舱内工作的电机的散热变差，电机耐电晕能力下降，给出了加大机舱强制换热功率、加强电机耐电晕绝缘处理的处理思路。参考文献：1 魏书慈，李士菊。浅谈中