溫濕度對風電電氣產(chǎn)品性能的影響★

黃 虎

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

目前，電氣產(chǎn)品被大量應用于風力發(fā)電機組中，風電電氣產(chǎn)品的絕緣性能是關系其是否安全穩(wěn)定運行的關鍵因素。由于我國幅員遼闊，各地環(huán)境差異非常大，特別是溫度、濕度，而風電電氣產(chǎn)品的絕緣性能對溫度、濕度的變化特別敏感，所以在產(chǎn)品的運行過程中其絕緣性能極易受到環(huán)境因素的影響。而在對風電電氣產(chǎn)品進行試驗時，不可能把所有條件模擬到，因此正確評估環(huán)境因素對風電電氣產(chǎn)品的影響，對于產(chǎn)品的完善設計、提高產(chǎn)品的適應能力和防護能力是非常必要的。

1 溫度和濕度的關系

在理想狀態(tài)下，濕度是隨著溫度的變化而變化的，當環(huán)境溫度上升或加熱空氣使得溫度升高時，空氣吸收水分子的能力增強，當無法人工增加空氣里的水分子含量時，環(huán)境相對濕度的降低將會使環(huán)境里物質的水被空氣吸收從而變干。

空氣的相對濕度達到100%是指，在某一溫度下，空氣中的含水量達到飽和狀態(tài)。若空氣中已具有一定含水量，則相對濕度將隨著溫度的變化而呈現(xiàn)相反的上升和下降趨勢；當相對濕度達到100%并進一步降低空氣溫度，則冷凝水會從空氣中析出。

各溫度下單位體積空氣中飽和狀態(tài)下含水量如表1所示，溫度與飽和含水量關系如圖1所示。

表1 完全飽和狀態(tài)下空氣中的含水量

在日常生產(chǎn)工作中，我們對于不同溫度條件下的空氣含水量變化情況是不易感受到的，但它會從客觀上對產(chǎn)品質量差異和產(chǎn)品運行造成影響。

因此，在風電電氣產(chǎn)品設計過程中，要考慮整機內部的溫度變化的規(guī)律：在溫度上升過程中，部件溫度變化率要大于空氣溫度變化率，溫度下降過程部件溫度變化率要小于空氣溫度變化率。

圖1 溫度與絕對濕度（飽和含水量）的關系

2 溫濕度對風電電氣產(chǎn)品性能的直接影響

2.1 溫度對風電電氣產(chǎn)品絕緣性能的影響

絕緣介質的絕緣電阻隨溫度變化而變化，其變化幅度與絕緣介質的種類相關，當溫度上升時，絕緣電阻呈現(xiàn)下降趨勢。

絕緣介質因其材質和結構原因，其含水量無法呈現(xiàn)規(guī)律性變化，所以關于絕緣電阻與溫度的換算公式，目前仍無固定標準。

根據(jù)巴申定律，氣體的擊穿電壓Ub與氣壓p和氣體間隙長度d的關系可表示為：

式中：γ是常數(shù)，工程上

在溫度恒定的條件下，Ub是氣壓和間隙長度乘積pd的函數(shù)，即

由圖2可見，在pd≈0.7 kPa·mm時擊穿電壓出現(xiàn)極小值，約0.45 kV。

鑒于氣溫變化的情況，可將擊穿電壓Ub公式改寫為：

式中：δ為氣體的相對密度，指氣體密度與標準大氣條件（PS=101.3 kPa，TS=293 K）下密度之比，即

式中：P為擊穿試驗時氣壓，kPa；T為擊穿試驗時溫度，K。

圖2 空氣擊穿電壓與pd值的關系

實際產(chǎn)品中間隙一般d為常數(shù)，因此在很大范圍內，擊穿電壓Ub可以看做是δ的增函數(shù)，即當溫度T增加時，擊穿電壓Ub減少。

因此得出結論：在同一相對濕度下，溫度越高，擊穿電壓越小。

2.2 濕度對風電電氣產(chǎn)品絕緣性能的影響

當空氣絕對濕度即空氣中實際含水量增加時，若絕緣介質表面產(chǎn)生凝露，則絕緣件沿面閃絡電壓會略微升高，若絕緣介質表面未產(chǎn)生凝露，則絕緣件沿面閃絡電壓會大幅下降。這與凝露的產(chǎn)生、空氣相對濕度和介質表面溫度有關。

一般情況下，絕緣介質表面會在空氣相對濕度大于65%時附著水膜，且隨濕度的增加附著水膜增厚，以致形成導電水路并出現(xiàn)飛弧。

圖3表示清潔的環(huán)氧樹脂支柱絕緣子的交流閃絡電壓與空氣相對濕度的關系。由圖3可見：當相對濕度在60%以下時，閃絡電壓隨相對濕度的增加略有提高，這在沿面放電距離為60 mm時尤為明顯。這是因為在環(huán)境溫度恒定的情況下，相對濕度的提高即意味著絕對濕度的提高；但當相對濕度超過60%時后，閃絡電壓明顯下降，其原因就在于介質表面產(chǎn)生了凝露。

圖3 清潔的環(huán)氧樹脂支柱絕緣子的交流閃絡電壓與空氣相對濕度的關系

電場分析結果表明，隨著相對濕度的增加，宏觀上，表面電場分布趨于均勻，按閃絡電壓與電場分布的規(guī)律可以推斷，相對濕度的增加會引起閃絡電壓的增加。當濕度達到60%時，由于絕緣表面的幾何起伏、憎水性以及水的表面張力等因素，使得絕緣表面電導不均勻，從而改變電場分布進而影響閃絡電壓。根據(jù)某種絕緣板材質的規(guī)格書可知，絕緣介質在浸水24 h后，其絕緣電阻為原來的1/10。

空氣在同一絕對濕度下溫度越低相對濕度越高，因此結合前一推論可得：在同一環(huán)境中，同一相對濕度（60%以下）下，溫度越低，閃絡電壓越高；當相對濕度大于60%時，閃絡電壓急劇下降。

3 溫濕度對電氣產(chǎn)品性能的間接影響

3.1 溫濕度變化下霉菌對風電電氣產(chǎn)品性能的影響

霉菌孢子在潮濕的空氣中更易生長，特別是溫度為25～30℃、相對濕度為75%～95%的環(huán)境為其繁殖的良好條件，且密閉環(huán)境將加速霉菌生長。由于霉菌細胞含有大量水分，當霉菌菌絲布滿絕緣介質表面時，會導致產(chǎn)品絕緣性能降低，同時影響設備的外觀和標志，其代謝產(chǎn)生的酸性物質也會導致導電材料表面形成一層晦暗膜，造成接觸電阻增大，長期如此將使得設備精度降低或產(chǎn)生故障甚至受損。

3.2 溫濕度、氧含量變化下金屬腐蝕對風電電氣產(chǎn)品性能的影響

金屬腐蝕主要受溫度和濕度的影響，被腐蝕的導電金屬會影響風電電氣產(chǎn)品的性能和壽命。

3.2.1 濕度對金屬腐蝕的影響

當相對濕度增加到一定程度后，腐蝕速度會驟增，通常將該濕度稱為臨界濕度。鋼的臨界濕度為70%，鐵的臨界濕度為63%，銅的臨界濕度為60%。在臨界濕度以內，金屬幾乎不受腐蝕，且與溫度無關。在臨界濕度以上且金屬已被腐蝕時，腐蝕速度隨溫度升高而提高。

3.2.2 溫度對金屬腐蝕的影響

金屬腐蝕受溫度的影響，主要體現(xiàn)于溫度驟降引發(fā)金屬表面凝露，從而導致加速腐蝕。如果在某些晝夜溫差大、潮濕多雨地帶或季節(jié)，金屬更加易被腐蝕。

3.2.3 氧含量對金屬腐蝕的影響

金屬腐蝕在空氣中主要受到水分和氧含量的影響，且須兩者皆備。由于金屬暴露于空氣中，表面所形成的水膜層非常薄，利于氧分子的滲透和溶解，導致氧分子能夠順利進行去極化過程，形成金屬腐蝕條件。

3.2.4 本節(jié)小結

綜上所述，濕度和氧氣含量這兩個因數(shù)在金屬腐蝕中起著決定性作用；溫度影響著濕度和凝露的產(chǎn)生，從而影響金屬腐蝕。

4 結論

4.1 濕度對產(chǎn)品性能的主要影響（見表2）

表2 濕度對產(chǎn)品性能的主要影響一覽表

4.2 溫度對產(chǎn)品性能的主要影響（見表3）

表3 溫度對產(chǎn)品性能的主要影響一覽表

4.3 風電產(chǎn)品絕緣材料的主要選取要素

1）絕緣電阻：所有絕緣材料的電阻值不得小于1.0×109Ω，絕緣電阻越大代表絕緣性能越好。

2）電氣強度：選取時不得小于1 000 V/mm，此值越大絕緣越好，對于中高壓設備在任何情況下絕緣材料厚度都必須≥0.2 mm，而對于低壓設備，如果絕緣材料厚度小于0.2 mm，必須用脈沖電壓和耐壓試驗進行驗證。

3）耐漏電起痕值數(shù)（PTI）：選取絕緣材料時，必須選取耐漏電起痕值數(shù)≥600 V的材料。

4）燃燒性：選取絕緣材料時，必須選取FV0或者94V-0的材料。

5）長期耐熱性溫度指數(shù)：選取絕緣材料時，必須選取長期耐熱性溫度指數(shù)≥120℃的材料。

在絕緣材料的制造和使用過程中，如果有機械應力、彎曲或在制造過程中的損害，都必須滿足以上要求，否則會降低絕緣材料的各項指標，將導致絕緣性能的下降甚至絕緣崩潰。