高原环境对风力发电变流器的影响分析

罗 成，胡佑群，蒋耀生，张东辉

(中国南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，湖南株洲 412001)

高原环境对风力发电变流器的影响分析

罗 成，胡佑群，蒋耀生，张东辉

(中国南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，湖南株洲 412001)

针对高原地区(海拔2 000 m以上)环境影响风力发电机组稳定运行的问题，阐述了高原环境空气密度和气压对风机容量、绝缘强度、电晕、放电电压、开关电器灭弧性能的影响程度，提出了风力发电变流器材料、产品机械结构、密封、产品温升及除湿方面在环境温度影响下相应的改进方法，以适应高原环境发电机组运行需求。

风力发电;变流器;高原

0 引言

随着中国风力发电产业的发展，高原地区(海拔2 000 m以上)风资源较好的省份，如云南、贵州、青海等地也相继规划了风电场的建设，建设地海拔较高。由于常规风电机组是按海拔2 000 m以下设计的，高原风电场的气候条件与一般风电场有很大差异，风力发电变流器须进行环境适应性改进设计［1－2］。因此，本文根据高原环境的特点，分析了环境对风力发电变流器的影响，提出了风力发电变流器几个方面在环境温度影响下相应的改进方法。

1 空气密度变化的影响

中国探明风能理论储量为32.26亿kW，陆地可开发利用风能为2.53亿kW，近海可利用风能为7.5亿kW［3］。中国风能资源丰富的北部、西北大部分为高原环境，如内蒙古、辽宁、青海、新疆的一些地区，以及青藏高原北部风能资源贮备较多的地区，海拔大多数在2 000 m以上［4］。

随着海拔高度的逐渐升高，大气压力和空气密度会随之逐渐降低。在温度相同条件下，空气密度与气压成正比，高原空气密度只有平原地区的75%～80%。根据气体状态方程式求得空气密度与海拔高度的关系式为

式中:ρH为海拔高度H时的空气密度，kg/m3;ρ0为标准状态下空气密度，海平面在0℃条件下空气的密度是1.292 kg/m3;H为海拔高度，m;T0为绝对温度，为273 K;α为空气温度梯度，约为0.006 5 K/m。

空气密度的减少和气压降低对电气设备的绝缘强度和外绝缘性能等方面都会有较大影响。

1.1 风机容量

气体输出功率为

式中:P为气体的输出功率，kVA;υ为风速，m;Ad为风轮横截面积，m2;ρ为空气密度，kg/m3;a为致动盘处的轴流诱导因子。

由式(2)可知，随着空气密度的降低，大气的输出功率也随之降低。表1为高原环境条件参数。根据表1中空气密度随海拔高度的变化，可以得出大气输出功率的修正曲线。

表1 高原环境条件参数

1.2 绝缘强度

高原环境对绝缘强度的影响主要表现在两个方面:空气压力或空气密度的降低在电场中更容易发生电离，从而导致绝缘性能的下降;气压的降低使在低海拔生产的塑性绝缘材料内的气泡扩张，使绝缘材料局部放电加大，绝缘性能变差，加快老化。

表2为电气间隙海拔高度修正系数。高原环境上的变流器需根据其具体使用地点的海拔高度来确定其绝缘强度，绝缘的电气间隙修正系数按表2进行修正，确定其绝缘介质的电气间隙。

表2 电气间隙海拔高度修正系数

1.3 电晕及放电电压

高原环境对电晕及放电电压的影响主要表现在以下3个方面:高原低气压使高压电器的局部放电起始电压、电晕起始电压降低，电晕腐蚀加重;高原低气压使电力电容器内部气压下降，导致局部放电起始电压降低;高原低气压使避雷器内腔电压降低，导致工频放电电压降低。

应用高原环境中变流器内的电容、压敏电阻、避雷器等应充分考虑高海拔高度低气压带来的放电电压降低的影响。

1.4 开关电器灭弧性能

高原环境对开关电器灭弧性能的影响主要表现在以下3个方面:空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低、通断能力下降和电器寿命缩短;直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长;直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高或气压降低而增加。

2 温度变化的影响

相同地理纬度的气温随着海拔高度的升高而降低，平均海拔高度每升高100 m，气温约降低0.60℃。如海拔高度在4 500 m以上的高原，年平均气温下降到－21℃，极端最高气温仅22℃，最低气温可达到－40℃以下。

随着海拔高度的增加，气温的年平均温差较小，日差较大。由表1可知，海拔变化从0～5 000 m，气温年差平均在50℃左右。高原地区早晚和中午的气温差可能会达到30℃左右，平原地区一般在15℃之内。温度的降低及其日差较大对变流器的结构及材料等方面都会产生较大影响。

2.1 材料

高原环境具有低温、低气压、低空气密度、绝对湿度低、高潮湿、温差大、强太阳辐射、高雷暴等特点。变流器应针对高原环境条件，选用耐候性和结构性能稳定的材料，满足产品性能、安全、可靠性和使用寿命等要求。同时，还需要考虑以下因素:

1)空气压力或空气密度降低引起低密度、低浓度、多孔性材料(如电工绝缘材料、隔热材料等)的物理和化学性质变化，使塑料制品中增塑剂的挥发加速;内外压力差的增大使气体或液体易从密封容器中泄漏或泄露率增大，间接影响到电气性能。

2)较大的温度变化使产品外壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂;温差大而且温度变化快使设备表面容易产生凝露，在低气压、污秽等综合作用下，产品外壳绝缘强度急剧下降，极易产生运行电压的绝缘闪络事故。另外，高潮湿环境将造成风机内部凝露，对电气设备绝缘造成影响。

3)太阳热辐射的增加引起较大的表面附加温升，降低有机绝缘材料的材质性能，使材料变形，产生机械热应力;强紫外线引起有机绝缘材料加速老化，使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低，强紫外线对风机外漆影响严重，风机必须使用抗紫外线漆;塑料绝缘件在强紫外线下老化加快。另外，材料在低温下会变脆，特别是金属材料。

由此可见，选材料时，应采用耐低温配方、对紫外线及宇宙射线不敏感的材料，或选添加紫外线吸收剂的材料，采用对臭氧不敏感的材料。

2.2 产品机械结构和密封

高原环境对产品机械结构和密封的影响如下:

1)内外压力差的增大使气体或液体易从密封容器中泄漏或泄漏率增大，会影响有密封要求产品的电气性能。

2)高海拔空气温度的日温差较大，较大的温度变化使产品外壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂。

3)昼夜温差大使温度变化较快，设备外绝缘表面容易产生凝露，在低气压、污秽等综合作用下，绝缘强度急剧下降，极易产生运行电压的绝缘闪络事故。

总之，应对变流器机柜做密封处理、防凝露设计;采用较高的防护等级，如IP54等;变流器机柜门采用防雨槽结构，避免脏污和液体沉积在密封件上，防止凝露渗入机柜;进出线采用分级套管防护。

2.3 产品温升及除湿

高原环境对产品温升及除湿的影响主要表现在以下3个方面:

1)空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。

2)以自然对流、强迫通风或空气散热为主要散热方式的产品，其散热能力下降使温升增加。

3)高潮湿环境将造成风机内部凝露，对电气设备绝缘造成影响。

因此，需改善变流柜内的通风设计，加大散热风扇和加热器功率，并对通风罩做防水处理，防止凝露，保持柜内干燥;变流柜长时间断电后启动时，加热系统独立控制加热，当变流柜内湿度、温度达到启动要求后，电控系统才能接通电源启动。

3 结论

上述分析表明，为了保证高原环境风电场的安全稳定运行，需要对该地区的风机等电气设备进行优化，分析高原环境对风力发电变流器的影响，提出相关的改进方法，以利于在设计及建设过程中摸索出高原型风电机组的特性。

［1］李德龙.高原型气候对电气设备的影响［J］.青海大学学报(自然科学版)，2009，27(4):71 －74.

［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］李亚西，武鑫，赵斌，等.世界风力发电现状及发展趋势［J］.太阳能，2004(1):6－7.

［4］段英涛.在青藏高原建设风力发电场的特殊性［J］.可再生能源，2008，26(3):115 －116.

Influence of plateau environment on converter for wind power generation

LUO Cheng，HU Youqun，JIANG Yaosheng，ZHANG Donghui
(Wind Power Department of CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd，Zhuzhou 412001，China)

Aiming at the influence of plateau environment(2 000 m above sea level)on the stable running of wind power unit，this paper expounds the influence of air density and pressure in plateau environment on capacity of fan，insulation strength，corona and discharge voltage and arc quenching performance in switchgear，and proposes relevant improvement plan for converter material，mechanical structure，seal，temperature increase and dehumidification according to temperature in order to adapt to the requirement for wind unit running in plateau environment.

wind power generation;converter;plateau

TM614

A

1002－1663(2012)02－0152－03

2011－11－26

罗 成(1984－)，男，2008年毕业于湖南工业大学电力电子与电力传动专业，硕士，主要从事风力发电变流器的研发工作。

(责任编辑 侯世春)