風(fēng)電機(jī)組與“預(yù)防式消防”理念

（西門子基礎(chǔ)設(shè)施及城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域中低壓業(yè)務(wù)集團(tuán)中低壓產(chǎn)品業(yè)務(wù)部，德國雷根斯堡，93055）

（西門子基礎(chǔ)設(shè)施及城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域中低壓業(yè)務(wù)集團(tuán)中低壓產(chǎn)品業(yè)務(wù)部，德國雷根斯堡，93055）

本文探討了風(fēng)電機(jī)組消防的難點和必要性，進(jìn)而提出了“預(yù)防性消防”這一理念，并列舉出可用于“預(yù)防性消防”及滅火系統(tǒng)的中低壓產(chǎn)品及解決方案。

風(fēng)電機(jī)組；消防；預(yù)防性消防

0 引 言

人類開發(fā)風(fēng)能已有近四千年的歷史，在能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨變的今天，風(fēng)電資源異軍突起，吸引著眾多企業(yè)投入大量技術(shù)和資金。在建的風(fēng)電場遍布陸地和沿海，單機(jī)容量越來越高，風(fēng)場規(guī)模也越來越大。

以德國為例，2012 年，風(fēng)電占德國電力產(chǎn)出的7.7%[1]，在網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組超過23,000個，總發(fā)電能力超過31,307MW[2]。其中不乏轉(zhuǎn)子直徑90多米，單機(jī)容量2.5 MW的大型風(fēng)電機(jī)組，其高度從80m到130m不等（根據(jù)所在位置不同）。甚至有高達(dá)6MW的風(fēng)電機(jī)組[3]。單機(jī)容量不斷增大已成為風(fēng)電市場發(fā)展的總體趨勢。

而隨著單機(jī)容量的增大，引入風(fēng)電機(jī)組的消防理念尤為重要。對于處于露天區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組而言，一旦由于雷擊或技術(shù)缺陷而發(fā)生火災(zāi)，滅火對于消防部門將是一個大難題。整個風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)有可能因此遭到徹底破壞。

1 風(fēng)電消防的意義

無論風(fēng)電機(jī)組坐落在陸上還是海上，投資商的資金投入都是巨大的，所以保護(hù)顯得尤為必要，這樣才能使風(fēng)電機(jī)組在保值的同時創(chuàng)造利潤。在發(fā)達(dá)國家，避免潛在風(fēng)險，例如火災(zāi)，符合風(fēng)場投資商和保險公司的利益。所以，全面的消防理念對于防患于未然很必要，其包括：預(yù)防性消防保護(hù)、完整的火災(zāi)報警和滅火系統(tǒng)。

造成風(fēng)電機(jī)組起火的風(fēng)險因素很多，比如：雷擊。風(fēng)電機(jī)組一旦遭受雷擊，并非只有轉(zhuǎn)子葉片面臨危險，發(fā)電機(jī)和傳感器等非直接暴露在外的系統(tǒng)也會由于感應(yīng)雷同樣面臨損壞的危險。此外，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計時的技術(shù)缺陷也會引起火災(zāi)。由于風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中存在大量電子元件，因此存在特別高的潛在風(fēng)險。斷路器或控制電子故障，元件設(shè)計不合理、電氣保護(hù)理念不足（例如缺少絕緣故障檢測），都可能導(dǎo)致火災(zāi)。但起火原因絕不僅限于此，還有很重要的一點，由超負(fù)荷的機(jī)械制動引發(fā)的熱量和火花，機(jī)油系統(tǒng)泄漏、發(fā)電機(jī)軸承或傳動軸承潤滑不足而產(chǎn)生的機(jī)械超載都有可能會引發(fā)火災(zāi)。

一旦起火，機(jī)艙的內(nèi)部隔音設(shè)備，其塑料附件，電纜、電氣安裝、液壓系統(tǒng)或驅(qū)動器的機(jī)油等，這些零部件都是可燃物，這對于風(fēng)電機(jī)組簡直就是“火上澆油”。然而，在130m的高空中完成滅火工作對于消防部門來說難度是非常大的。對于海上風(fēng)電，發(fā)生火災(zāi)后人工干預(yù)幾乎是不可能的。對投資商而言，火災(zāi)帶來的除了運營中斷或投資損失外，同樣意味著對周邊生態(tài)和電力經(jīng)濟(jì)的破壞，還有在日益敏感的公眾面前名譽(yù)損失等諸多負(fù)面打擊。

如何引入適當(dāng)?shù)南来胧﹣肀Ｗo(hù)風(fēng)場投資商的利益，德國勞氏船級社以及獨立測試機(jī)構(gòu) VDS 已經(jīng)針對風(fēng)電機(jī)組的消防問題出臺了相關(guān)的指導(dǎo)方針。這些方案不僅適用于新安裝的設(shè)備，對于使用壽命要求20年的在役風(fēng)電機(jī)組而言，也需要改進(jìn)火災(zāi)報警技術(shù)和滅火技術(shù)。

2 “預(yù)防性消防”理念

如上所述，風(fēng)電機(jī)組發(fā)生火災(zāi)無法通過傳統(tǒng)滅火方式熄滅，消防理念的焦點應(yīng)該集中在預(yù)防上。這是避免嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)后果的唯一有效途徑。對于消防解決方案提供商而言，能夠提供針對各種起火原因的產(chǎn)品組合是至關(guān)重要的。

2.1 雷擊

為預(yù)防雷擊起火，必須依據(jù)風(fēng)輪機(jī)類型，調(diào)整雷電過壓保護(hù)。為提供最佳保護(hù)，風(fēng)險評估必須考慮到雷擊的可能性路徑。例如，雷電擊中轉(zhuǎn)子葉片，然后經(jīng)輪軸、機(jī)艙和渦輪塔傳至基座。通常需要安裝避雷針或避雷器，避免風(fēng)電機(jī)組低壓系統(tǒng)由于直擊雷而導(dǎo)致過壓和高電流。

2.2 電氣系統(tǒng)的消防

包括熔斷器、斷路器以及剩余電流監(jiān)控設(shè)備在內(nèi)的消防技術(shù)，能夠選擇性識別故障并及時切斷故障的電氣設(shè)備，例如變壓器、導(dǎo)體或發(fā)電機(jī)。另外，消防系統(tǒng)必須確保能夠立即停機(jī)，并向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送故障信息。

此外，交叉保護(hù)的理念很必要。相鄰設(shè)備之間的保護(hù)裝置緊密相連，以達(dá)到為彼此提供后備保護(hù)的效果。比如，一個合適的配置，不但可以預(yù)防由于低壓系統(tǒng)中的電弧故障及斷路器故障而引起的過火風(fēng)險，而且能夠診斷故障并自動打開變壓器高壓側(cè)的中壓開關(guān)，使故障組件能夠有選擇地從系統(tǒng)中被斷開。

3 “預(yù)防性消防”產(chǎn)品

在全面的消防理念中，監(jiān)測和保護(hù)裝置可以確保風(fēng)電機(jī)組的長期有效使用。

3.1 空氣斷路器

空氣斷路器用于分?jǐn)嗪捅Ｗo(hù)風(fēng)電機(jī)組的主電路，也可以斷開與電網(wǎng)的連接，從而確保維修保養(yǎng)工作能安全進(jìn)行。斷路器能夠防止由于電流過載和短路引發(fā)的火災(zāi)，并針對電源過載后的過熱提供保護(hù)。空氣斷路器還可為火災(zāi)管理系統(tǒng)提供報警信號。

3.2 塑殼斷路器

塑殼斷路器用于分?jǐn)嗪捅Ｗo(hù)輔助電路。同空氣斷路器一樣，塑殼斷路器也能防止由于過載引起的過熱，并發(fā)出報警信號。

3.3 半導(dǎo)體熔斷器

半導(dǎo)體熔斷器能夠防止功率組件，特別是變流器的IGBT 故障而引發(fā)的火災(zāi)，并保護(hù)變頻器晶閘管的軟起動器等裝置免受短路影響。

3.4 剩余電流監(jiān)控裝置

剩余電流監(jiān)控裝置能夠通過指示剩余電流，來監(jiān)控隱蔽的電氣安裝接地故障。當(dāng)檢測數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時，便會觸發(fā)警報信號，在剩余電流引發(fā)火災(zāi)前執(zhí)行預(yù)防性維護(hù)。

3.5 多功能檢測儀表

多功能檢測儀表能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組的饋電質(zhì)量進(jìn)行檢測，并可監(jiān)控發(fā)電電路中的變量，從而提早發(fā)現(xiàn)電路過載和故障，避免隨之產(chǎn)生的損失。

3.6 剩余電流保護(hù)器

剩余電流保護(hù)器對于確保個人安全至關(guān)重要，它們能夠避免維護(hù)人員因直接或間接接觸致使的電擊危險，同時對因觸電引發(fā)的火災(zāi)提供保護(hù)。保護(hù)裝置用于剩余電流檢測，例如可能由絕緣故障而引發(fā)的剩余電流，通過關(guān)閉被擾回路避免起火。B 型和B+ 型通用電流敏感剩余電流動作斷路器同樣能夠確保為風(fēng)電機(jī)組直流剩余電流提供可靠保護(hù)。

3.7 母線槽系統(tǒng)

在風(fēng)電機(jī)組上安裝母線槽系統(tǒng)比安裝電纜更能有效防火。與采用 PVC 絕緣電纜相比，母線槽系統(tǒng)大大降低了火災(zāi)負(fù)荷。其耐老化涂層同樣能夠確保導(dǎo)體的高度表面防護(hù)性能。出線單元的高短路強(qiáng)度及應(yīng)對雷擊的高熱負(fù)荷，進(jìn)一步增強(qiáng)了母線槽系統(tǒng)的優(yōu)勢。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電建設(shè)和運營商的需求，可以安裝額外的監(jiān)控和保護(hù)裝置，當(dāng)檢測系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)鍵狀態(tài)可以及時采取干預(yù)措施，防止火災(zāi)。

4 火災(zāi)報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)

如果在層層預(yù)防措施下，火災(zāi)還是不可避免地發(fā)生了，自動火災(zāi)報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)能夠?qū)p失和停產(chǎn)時間降到最低。

4.1 監(jiān)測

報警系統(tǒng)對煙霧、熱量及火焰具有高度敏感性，可同時進(jìn)行視覺監(jiān)測及熱監(jiān)測，能夠提早監(jiān)測到火災(zāi)并向中央火災(zāi)報警系統(tǒng)傳送信息。這樣可以立即關(guān)閉風(fēng)電機(jī)組，并啟動滅火系統(tǒng)。為了最大限度確保安全，所有關(guān)鍵點都需安裝指示器，從機(jī)艙、控制柜一直到基座。

4.2 滅火系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組的高度和位置給傳統(tǒng)防火方式提出了極大考驗。現(xiàn)代自動滅火系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，例如西門子Sinorix解決方案。一旦爆發(fā)火災(zāi)，報警系統(tǒng)能立即激活。兩種不同類型的滅火技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)最佳防護(hù)。對電氣系統(tǒng)而言，最合適的是氣體滅火，使用二氧化碳、氬氣或氮氣，它們能夠迅速可靠地熄滅火源，而滅火劑對敏感電子設(shè)備也不會造成損害。而現(xiàn)代水氣化技術(shù)則對控制明火十分有效，當(dāng)機(jī)械部件如機(jī)艙、液壓裝置或制動器起火時，該技術(shù)是最佳選擇。這些滅火系統(tǒng)通過噴射細(xì)水蒸汽，能夠迅速熄滅明火并且有最佳的冷卻效果。本文運用正交試驗設(shè)計，建立試驗?zāi)Ｐ?，根?jù)正交試驗的結(jié)果，運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件SPSS18.0進(jìn)行多元線性回歸分析，建立了優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件，結(jié)合工程實際確定了設(shè)計變量的取值范圍，最終建立塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB優(yōu)化工具箱對模型進(jìn)行求解，得到了優(yōu)化結(jié)果。在滿足塔架結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力、疲勞、屈曲和模態(tài)要求的前提下，減輕了8.93%的塔架質(zhì)量。

5 結(jié)論

陸上和海上的風(fēng)場都是投資巨大的項目。這些昂貴的風(fēng)電機(jī)組迫切需要合理的消防理念實現(xiàn)有效保護(hù)。預(yù)防式消防是避免事故發(fā)生的有效措施，也是保障機(jī)組和工作人員安全的必要前提，將會引起人們的高度重視。

[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.

風(fēng)電機(jī)組與“預(yù)防式消防”理念

邁克爾?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。

邁克爾?恩斯特（1963-），男，本科，負(fù)責(zé)西門子基礎(chǔ)設(shè)施及城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域中低壓集團(tuán)中低壓產(chǎn)品業(yè)務(wù)部應(yīng)用與行業(yè)領(lǐng)域市場部工作。