高海拔風(fēng)力發(fā)電變流器水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林錦華

摘要：隨著內(nèi)陸、沿海等地方優(yōu)良風(fēng)資源的不斷開(kāi)發(fā)，普通海拔可用的優(yōu)良風(fēng)資源越來(lái)越少，為尋求風(fēng)機(jī)的持續(xù)發(fā)展，將風(fēng)機(jī)從普通海拔轉(zhuǎn)移到風(fēng)速相對(duì)好的高海拔上，是未來(lái)風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)的思路。海拔1km以上的土地面積占全國(guó)陸地面積60%左右，海拔2 km以上的面積約占30%，可供大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源巨大，因此，設(shè)計(jì)應(yīng)用于高海拔的風(fēng)力發(fā)電變流器水冷系統(tǒng)是市場(chǎng)的需求。

1高海拔環(huán)境對(duì)水冷系統(tǒng)影響分析

隨著海拔逐漸升高，大氣壓力和空氣密度也會(huì)隨之降低。在溫度相同的前提下，空氣密度與氣壓成正比?？諝饷芏葧?huì)隨海拔增高而減小，高原空氣密度只有平原地區(qū)的75%～80%。而風(fēng)能密度和空氣密度是線性關(guān)系，所以在同樣風(fēng)速下，風(fēng)能密度也隨海拔增高而減小。

1.1空氣密度降低對(duì)水冷系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的影響

空氣密度降低，散熱系統(tǒng)的散熱效果也會(huì)降低，因此要依照特殊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。高海拔地區(qū)日照時(shí)間普遍較長(zhǎng)，空氣密度較小又導(dǎo)致散熱能力下降，故以自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷或空氣自然散熱為主要散熱方式的產(chǎn)品溫升會(huì)增高。

一般情況下，在海拔0-5000 m范圍內(nèi)，氣壓每降低12%（相當(dāng)于海拔增高1000m），電工產(chǎn)品溫升就增高3%～10%，因此水冷系統(tǒng)的水泵、二次換熱的空氣散熱器、電控系統(tǒng)的散熱就需要重新計(jì)算。

1.2氣溫日較差大對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

高海拔地區(qū)氣溫的日較差普遍較大，尤其是西藏地區(qū)，平均日較差可達(dá)20℃以上。當(dāng)氣壓與氣溫變化時(shí)，空氣密度會(huì)隨之變化。一般溫度每變化±10℃，相應(yīng)的空氣密度就變化±4%。因此，較大的溫度變化會(huì)使水冷系統(tǒng)的性能不穩(wěn)定。

1.3氣壓降低對(duì)電氣元件絕緣特性的影響

隨著氣壓降低，電工產(chǎn)品的電暈（起始及消失電暈）電壓減小，外絕緣電氣強(qiáng)度也降低。在海拔0～5 000m范圍內(nèi)，氣壓每降低12%，電工產(chǎn)品電暈電壓和外絕緣電氣強(qiáng)度就降低8%-13%，材料也會(huì)加速老化失效。

1.4太陽(yáng)輻射和低溫環(huán)境對(duì)設(shè)備材料的影響

地理緯度決定了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，而在同一地理緯度下，海拔高度每增加1 km，太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度就增加約60W/ms。太陽(yáng)輻射的主要危害是引起產(chǎn)品發(fā)熱和老化，減短產(chǎn)品壽命。在這特別指出的是風(fēng)電水冷系統(tǒng)設(shè)備間連接水路常用到的橡膠軟管。

溫度隨著海拔高度的升高而降低，因此水冷系統(tǒng)各設(shè)備和材料需具備低溫性能。

2水冷系統(tǒng)使用環(huán)境的要求

為滿足高海拔的使用，風(fēng)電機(jī)組對(duì)水冷系統(tǒng)提出的一般要求為：儲(chǔ)存環(huán)境溫度為-45℃-60℃；室外運(yùn)行環(huán)境溫度為-40℃-40℃；水冷柜工作環(huán)境溫度為-40℃-50℃；海拔高度≤4000m；濕度為85%；鹽霧環(huán)境等級(jí)為C3-H。

3水冷系統(tǒng)設(shè)備的改進(jìn)措施

3.1主循環(huán)泵

提供密閉循環(huán)流體所需動(dòng)力，為高速離心葉片泵。泵體采用機(jī)械密封，接液材質(zhì)為304不銹鋼。采用抗低溫潤(rùn)滑油脂及低溫密封墊，可在-40度的環(huán)境溫度下正常運(yùn)行。水泵電機(jī)帶電加熱器，當(dāng)水泵停運(yùn)時(shí)啟動(dòng)加熱器，防止水泵突然啟動(dòng)后繞組凝露。

海拔高度在1000m以上時(shí)，每升高100m所需的環(huán)境溫度降低補(bǔ)償值規(guī)定按溫升極限的1%折算。若最高環(huán)境溫度的降低值不足以補(bǔ)償由于海拔高度提高所造成的冷卻效果的降低，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率進(jìn)行修正。

功率降低值的關(guān)系式如式（1）所示。

ANe=[（h-1000）△i-（40-tm）]Ne/100 （1）

式中h為海拔高度，m；△i為海拔高度1000-4000之間時(shí)，每提高100m所需要的最高環(huán)境溫度補(bǔ)償值，取△i=0.01×電機(jī)溫升極限/100，℃/m；tm為使用地點(diǎn)的最高環(huán)境溫度，℃。

因此，海拔高度為4000m，電機(jī)的溫升極限為105℃，因此功率降低值△Ne為0.945kW。

3.2電加熱器

當(dāng)冬季變流器低負(fù)荷或停運(yùn)時(shí)，為防止進(jìn)入變流器水溫較低，在主回路上設(shè)置電加熱器，當(dāng)供水溫度較低時(shí)，啟動(dòng)電加熱器，防止進(jìn)入變流器的水溫過(guò)低。為保證連接可靠，加熱器采用法蘭、螺栓連接。

3.3電動(dòng)三通閥

置于主循環(huán)冷卻水回路變流器進(jìn)水側(cè)，可調(diào)節(jié)流經(jīng)室外空氣散熱器的冷卻水流量，用于冬天溫度低及變流器低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的冷卻水溫度調(diào)節(jié)，避免冷卻水溫度過(guò)低。

電動(dòng)三通閥由電動(dòng)執(zhí)行器和三通閥組成。其作用原理為通過(guò)供水溫度的變化調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥閥位，改變進(jìn)入空氣散熱器的流量，從而實(shí)現(xiàn)精確控制水溫的目的。電動(dòng)執(zhí)行器采用低溫潤(rùn)滑油脂，可滿足-40℃低溫環(huán)境下的使用要求。

3.4穩(wěn)壓系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用膨脹罐進(jìn)行穩(wěn)壓。當(dāng)系統(tǒng)溫度降低或有少量介質(zhì)滲漏時(shí)，膨脹罐頂部空氣將介質(zhì)壓入系統(tǒng)，保持系統(tǒng)壓力的恒定。當(dāng)壓力繼續(xù)降低時(shí)，可通過(guò)補(bǔ)氣泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣，防止系統(tǒng)壓力過(guò)低。

當(dāng)溫差較大使溫度升高時(shí)，系統(tǒng)壓力增大，膨脹罐內(nèi)有足夠的空氣進(jìn)行收縮，使壓力控制在設(shè)計(jì)值內(nèi)；當(dāng)壓力超過(guò)臨界值時(shí)，由排氣電磁閥向大氣進(jìn)行泄壓，防止因壓力過(guò)高對(duì)變流器造成影響。

為防止空氣對(duì)膨脹罐內(nèi)介質(zhì)造成影響，在介質(zhì)內(nèi)添加防腐劑，在空氣壓縮泵出口添加高精度的過(guò)濾器等措施。

3.5外冷電機(jī)

海拔高度對(duì)空氣散熱器的影響主要有風(fēng)機(jī)電機(jī)功率及由于空氣密度的變化從而引起散熱能力的變化，需重新核算。西門子電機(jī)給出的海拔高度及環(huán)境溫度變化對(duì)照的功率變化詳見(jiàn)表1。

例如：在溫度范圍30-40℃，海拔高度為4000m時(shí)，對(duì)應(yīng)功率的系數(shù)是0.77，原電機(jī)功率為1.5kW，因此需重新選用3kW才能滿足電機(jī)功率的變化。

3.6外冷風(fēng)葉

風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的輪轂及葉片選用能耐-60℃低溫的鋁合金風(fēng)葉，高海拔對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率及效率都有影響，圖1是某一風(fēng)機(jī)葉片在滿足低溫下在海拔4000m與海拔2000m其風(fēng)量、風(fēng)壓、功率及效率曲線對(duì)比：

3.7電氣元件對(duì)地耐壓值的修正

高于2000m的設(shè)備，工頻耐壓電壓值和沖擊耐受電壓值應(yīng)符合常規(guī)型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，在產(chǎn)品使用地點(diǎn)海拔和試驗(yàn)地點(diǎn)海拔不同時(shí)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)乘以修正系數(shù)，修正系數(shù)值參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T20645-2006的要求。

工頻試驗(yàn)電壓UH與海拔高度的關(guān)系如式（2）和式（3）。

UH=U₀×K_a（2）

Ka=1/（1.I-H/10000）（3）

式中：u。為標(biāo)準(zhǔn)額定試驗(yàn)電壓；Ka為海拔修正系數(shù)；H為設(shè)備安裝海拔高度。

4結(jié)語(yǔ)

隨著海拔升高，大氣環(huán)境也會(huì)相應(yīng)發(fā)生很大變化，在這種氣候條件下風(fēng)力發(fā)電變流器的水冷系統(tǒng)就會(huì)受到一定的影響。本文闡述了高海拔環(huán)境對(duì)水冷系統(tǒng)的具體影響，并提出了主循環(huán)泵、電加熱器、電動(dòng)三通閥、穩(wěn)壓系統(tǒng)、外冷電機(jī)、外冷風(fēng)葉和電氣元件等設(shè)備在高海波地區(qū)使用的改進(jìn)措施，保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。