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1、风力发电机组 安全要求前言21范围32引用标准33基本要素34外部条件44.1风力发电机组分级44.2 风况44.2.1正常风况54.2.2极端风况54.3 其他环境条件84.3.1 其他正常环境条件84.3.2 其他极端环境条件84.4 电网条件105结构设计相关安全要求106控制和保护系统相关安全要求126.1控制和保护系统应满足的基本要求126.2风力机控制136.3风力机安全保护136.4监控和安全处理146.5控制和保护的系统功能要求157电气系统相关安全要求167.1风力发电机组电气系统的一般要求167.2电气接线和电气连接相关要求167.3电气系统的保护相关要求177.4接地系统
2、177.5电磁兼容性相关要求177.6降低设备干扰效应相关措施177.7控制电路相关要求187.8测量和指示电路相关要求187.9电缆的相关要求187.10自励197.11过压保护197.12谐波和功率调节装置197.13分离装置198防雷系统的相关安全要求198.1 雷电放电的分类及其防护198.2 防雷区的划分208.3 避雷器种类及其接线方式208.4 接地分类及相关要求208.5 WTGS的防雷等级要求219运行和维护21前言本文概述了风力发电机组（WTGS）最低的安全要求，但并不能作为完整的设计规范或结构设计手册来使用。为了保证WTGS机构、结构、电气系统和控制系统的安全，本文给出了
3、WTGS的外部条件、结构设计、控制和保护系统、机械系统、电气系统、外部条件评估、组装/安装和竖立、试运行/运行和维护等方面的技术要求。1 范围本文介绍了风力发电机组（WTGS）在特定的环境条件下，设计、安装、维护和运行中的相关安全要求。涉及到风力发电机各子系统，如控制和保护机构、内部电气设备、机械系统、支撑结构以及电气连接设备、防雷等。本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于40的风力发电机组。2 引用标准GB 18451.12001 风力发电机组 安全要求GB 17625.11998 低电压电气及电子设备发出的谐波电流限值GB 17626.21998 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验G
4、B 17626.31998 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验GB 17626.41998 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB 17626.51999 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验IEC 6020411997 工业机械电气设备第一部分：通用技术条件IEC 614001:1999 风力发电机组 安全要求。IEC 610241: 1999 建筑物防雷设计规范IEC 613121: 1995 雷电电磁脉冲防护IEC 60364 建筑物电气装置3 基本要素设计方法：本标准要求采用结构动力学模型，以便预测设计载荷。安全等级：一般安全等级（当失效的
5、结果可能导致人生伤害，或造成经济损失和产生社会影响时，WTGS采用这一等级进行设计）；特殊安全等级（当安全取决于局部调整或制造厂与用户二者协商决定时，WTGS采用这一等级进行设计）。质量保证：遵照相关国家标准要求。4 外部条件WTGS要承受环境和电对它的影响，这些影响主要体现在载荷、使用寿命和正常工作等几个方面。为保证一定的安全性和可靠性，在设计中就要考虑到各种外部条件。本标准重点说明了WTGS设计时所需考虑的风况方面的技术要求（从正常风况和极端风况两方面说明）。4.1风力发电机组分级WTGS等级取决于风速和湍流参数（由WTGS安装场地类型决定）。分级是想要达到最大限度应用的目的，使风速和湍流
6、参数在不同的场地大体再现，而不是与某一特定场地精细吻合，其总的目的是要得到明显由风速和湍流参数决定的WTGS的等级。S级WTGS的设计值由设计者选取，并在设计文件中详细说明。特定设计中，选取的设计值所反应的环境条件要比预期的用户使用坏境更为恶劣。近海安装的为S级WTGS。各等级WTGS的基本参数见下表1：4.2 风况从载荷和安全角度出发风况可分为WTGS正常工作期间频繁出现的标准风况和一年或50年一遇的极端风况两种。在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8的影响。假定此夹角大小不随高度改变而变化。4.2.1正常风况1） 风速分布对标准WTGS计算设计载荷时，10min平均风速按瑞利分布计算
7、，则轮毂高概率分布为：2 ）正常风廓线模型（NWP）风廓线v（Z）表示平均风速随地面高度Z变化的函数，用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风切变。WTGS的标准级，正常风廓线假定按：指数a假定为0.2.3 ）正常湍流模型（NTM）“风湍流”表示的是10min平均风速的随机变化。湍流模型包括风速变化效应、风向变化效应和样机转动的效应。标准级WTGS，随即风矢量场能谱强度，不管是否在模型中明确的应用，都必须满足下列要求：a)纵向风速分量标准偏差特性值由下式给出：I15和a值由表1给出。b)靠近惯性负区高频尾端，湍流纵向分量能谱强度S1(f)逐渐接近下列形式：湍流尺度参数由下式确定：4.2.2极端风况极
8、端风况用于确定WTGS的极端载荷。这种风况包括由暴风造成的风速峰值及风向和风速的迅速变化。这种极端状况含有湍流潜在影响，在设计计算中仅考虑其确定的因素。1）极端风速模型（EWM）Ve50和Ve1应根据参考风速Vref来确定，在标准WTGS的设计中作为高度Z的函数用下式计算：假定与平均风向短期偏离15。2）极端工作阵风（EOG）标准级WTGS N年一遇轮毂高度阵风值VguestN由下面关系式给出：周期为N年一遇的风速，由下式给出：3）极端风向变化（EDC）N年一遇的极端风向变化值eN，用下面公式进行计算：N年一遇的瞬时极端变化值N（t），由下式给出：此处，瞬时风向极端变化持续时间T=6s。最大瞬
9、时载荷发生时，应有信号发出。风向瞬时变化结束后，认为风向保持不变，并假定风速遵从正常风廓线模型（NWP）。4）极端相干阵风（ECG）标准WTGS的设计需要假定极端相干阵风具有Vcg=15m/s的幅值。风速由下式确定：上升时间T=10s,v(Z)为6.2.1.2给出的风速。5）方向变化的极端相干阵风（ECD）在这种情况下假定风速的上升（由ECG阐述的）与风向的变化cg是同步进行的。cg由下面关系式确定：同步的方向变化由下面关系式给出：上升时间T=10s。6）极端风速切变（EWS）50年一遇极端风速切变应用于下列两种瞬时风速来计算：瞬时垂直切变瞬时水平切变4.3 其他环境条件4.3.1 其他正常环
10、境条件 4.3.2 其他极端环境条件WTGS设计应考虑的其他极端环境条件是温度、雷电、冰和地震。（2）雷电：防雷措施适用与标准级风力发电机组。按照IEC 61024-1进行WTGS防雷设计。4.4 电网条件5 结构设计相关安全要求风力机结构设计应以承载件结构完整性的验证为基础。零部件的极限强度和疲劳强度须通过计算或试验来验证，以表明相应安全等级的WTGS结构的完整性应以ISO 2394为基础进行结构分析。在WTGS每种设计工况中，需要考虑的最少载荷情况见下表：DLC 设计载荷状态ECD 方向变化的极端相干阵风ECG 极端相干阵风EDC 极端风向变化EOG 极端工作阵风EWM 极端风速模型EWS
11、 极端风速切变Subscript 以年计发生一次的机会NTM 正常湍流模型NWP 正常风廓线模型F 疲劳U 最大N 正常的和极端的A 非正常的T 运输和安装* 疲劳安全系数6 控制和保护系统相关安全要求WTGS的工作和安全性受控于控制系统和保护系统。6.1控制和保护系统应满足的基本要求1）电控系统的硬件设备及元器件应符合相应的标准及IEC60204-1的有关规定。可编程控制器应符合IEC61131-1和IEC61131-2的标准。2）手动或自动的介入。应不损害保护系统功能。允许手动介入的装置在必要处应有清晰可辨的相应标记。3）控制和保护系统的复位应能自由进行，不受干扰。4）控制系统承受件或活动
12、件中任何一件单独失效不应引起保护系统误动作。5）可导致风力发电机组关机的紧急关机按钮应优先与自动控制系统的功能，并应安装在每个主要的工作地点。6）当控制功能和安全功能发生冲突时，控制系统的功能应服从安全保护系统的要求。7）由于内部故障或危机风力发电机组安全的跳闸关机时，风力发电机组应不能自动重新启动。8）与安全保护系统功能有关的单个元器件的失效，应不会导致安全保护系统失效。9）安全保护系统应至少能启用两套相互完全独立的制动系统。6.2风力机控制WTGS的控制系统通过主动的或被动的方式控制WTGS的运行，并使运行参数保持在它们的正常范围内。控制方式的选择要认真考虑。例如对维修而言，除了紧急停机按
13、钮外，它的每种控制方式都应超越其他控制。控制方式的选择由选择器操纵，它可以被锁定在相应单独控制方式的每个位置上。当某些控制是数字时，要提供选择相应功能的数字码。控制系统可控制的功能或参数如下：6.3风力机安全保护由于控制系统失效或内部及外部损伤或当发生危险导致WTGS不能保持正常工作时，保护系统应起作用。保护系统在下列情况下应起作用：保护系统按具有自动防止故障的功能来设计，通常能够在系统内电源或无安全寿命零件单独失效或故障情况下对WTGS进行保护。如果两个或多个失效相互关联或共同起作用，可将它们按单一失效处理。保护系统的非冗余零件必须分析最大强度、疲劳破坏和最大载荷，并且满足6.3的要求。6.
14、4监控和安全处理监控装置应具有对风力发电机组运行状态和运行参数的检测功能。检测参数包括风速、风向、风轮或发电机转速、电气参数（频率、电压、电流、功率、功率因数、发电量等）、和温度（发电机绕组温度、轴承温度、齿轮箱油温、控制柜温度、外部环境温度）等；状态检测包括振动、电缆扭曲、电网失效、发电机短路、制动闸块的磨损、控制系统和偏航系统的运作情况以及机械零部件的故障和传感器的状态等。1）转速：转速信号应由两个独立的系统分别采集。应至少向控制系统提供两个转速信号，向安全保护系统提供一个转速信号。风轮叶尖制动系统的任何触发均应提交控制系统和安全系统。2）功率功率测量设备应能采集平均值和短时功率峰值如果功
15、率超过过载功率PT，控制系统应自动启动相应保护措施，降低功率或关机。如果瞬时功率超过临介功率PA，安全保护系统应自动启动相应保护措施。具体措施根据设计定，但无论如何，风力发电机组均应关机。通常过载功率PT不应大于额定功率Pr的1.25倍，临介功率PA不应大于额定功率Pr的1.5倍.如果由于过载功率PT而导致的风力发电机组关机，并且系统中没有故障，则该风力发电机组无需排除故障即可自动重启。3）风速作为控制系统出入参数的测量风速，应尽量考虑将轮毂高度未受干扰的风速作为相关测量参数当风速超出切出风速VOUT时，风力发电机组应通过控制系统立即关机。当风速超出短时切出风速VA时，风力发电机组应通过控制系
16、统立即关机。如果由于超出切出风速VOUT或短时切出风速VA而导致的风力发电机组关机，并且系统中没有故障，则该风力发电机组无需排除故障即可自动重启。如果控制系统检测出风速测量装置有故障，则风力发电机组应关机。4）振动振动系指由于不平衡和运动在固有频率附近而引起的风力发电机组的强迫振动。不平衡可能时由于损伤、故障或其他原因导致应连续的测量振动并将其振幅与极限值比较。如果实际测量的振动超过预先设定的极限值，关闭机组。5）发电机短路及温度监控风力发电机组应配备适当的短路保护装置，保护装置检测出短路后随时作出响应，并触发安全保护系统。如检测到发电机绕组温度超过容许温度值，则控制系统应降低发电机的功率输出
17、，以给其一个冷却的机会。若超过最大容许极限值时，风力发电机组安全保护系统作出响应。6）电缆扭曲电缆扭曲应满足下列要求：6.5控制和保护的系统功能要求保护系统应有一个或多个能使风轮由任意工作状态转入停止或空转状态的装置（机械的、电动的或气动的）。它们之中至少应有一个必须作用在低速轴上或WTGS的风轮上。须提供使风轮在小于Ve1的任意风速下由危险的空转状态转为完全静止状态的方法。按紧急停机按钮后，解除要求应有恰当的动作。紧急停机的解除不能导致机组重新启动，启动须单独进行。应经常进行检查，以减少潜在的失效造成的危险。无安全寿命期的零件或装置，对可能伤害它的环境和它自身状态应进行鉴测；它们的失效应引起
18、机器关机。按安全寿命设计的零件应定期检查。能超越自动控制系统使机器关机的紧急停机按钮，在每个重要工作位置都应设置。保护功能和控制功能冲突时，应优先考虑保护功能。由于内部故障，或达到风力机安全极限发生跳闸时，风力机不应自动启动。7 电气系统相关安全要求WTGS的电气系统包括在WTGS终端的所有安装于其上的电气设备。电力汇集系统不在本标准范围内。7.1风力发电机组电气系统的一般要求所有电气元件和系统均须满足IEC 60204-1的要求。1）WTGS电气系统的设计，须保证在正常或极限外部条件下WTGS运行和维护中对对人、畜和WTGS及其外部电气系统的伤害减至最小。2）电气设备的设计必须保证设备在按照
19、规定条件使用时，不会发生任何危险。设备应能承受正常使用中可能出现的物理和化学作用的影响，并要求其性能保持在令人满意的程度。3）WTGS的电气系统，包括所有电气设备和电器元件，必须遵从IEC相关标准。特别是WTGS电气系统的设计必须符合IEC 60364的要求。电气系统的设计还应考虑风力发电机的波动特性。4）应按照GB14821.1和IEC60364-4-41标准采取电击防护措施，防止直接过间接接触带电体。7.2电气接线和电气连接相关要求1）电气接线和电气连接必须可靠，所需要的连接手段如接插件、连接线、接线端子等，必须能承受所规定的电（电压、电流）、热（内部或外部受热）、机械和振动的影响。2）特
20、别容易造成危害的部件应通过位置排列、结构设计或附加装置加以保护。3）母件和导电或带电连接件，按规定使用，不应发生过热、松动或造成其他危险的变动。7.3电气系统的保护相关要求1）1WTGS电气系统保护装置的设计除了要满足GB/T5226.1或IEC 60364要求外，还应有适当的防止WTGS和外部电气系统误动作的装置。2）2电气系统中的电流如会超过元件的额定值或导线的载流能力，应配置过流保护器件。过流器件的分断能力应不小于其安装处额定的短路电流3）为防止雷电或开关电涌引起的过电压，应提供过电压保护器，过电压保护器按照IEC61312-1的要求设计。7.4接地系统WTGS的设计应包括局部接地电极系
21、统，以满足IEC 60363（电器设备正确操作）和IEC 61024-1（防雷）的要求。接地设备（接地电极、接地导线、主接地点和接地棒）的选择和安装应按IEC 60364-5-54进行。任何工作在交流1000V或直流1500V以上的电气设备，都能为维护而接地。7.5电磁兼容性相关要求1）WTGS电气系统应遵照电磁兼容的相关标准。它们是IEC61000、GB 17625.1，GB 17625.2，GB/T 17626.2，GB/T 17626.3，GB/T 17626.4，GB/T 17626.5。2）WTGS电气设备自身产生的电磁干扰，不应超过相关设备标准及电磁兼容性有关文件所规定的电平。可采
22、取下列措施使电气设备自身产生的干扰减至最小：在信号源处，采用电容器、电感器、二极管、齐纳管、压敏电阻、有源器件或这些元件组合使用；设备采用有电气连接的导电护壳作屏蔽，以此构成对其他设备隔离；消除不应有的静电效应、发射电磁能和负荷馈线产生的干扰。7.6降低设备干扰效应相关措施1）接参考电位电路或公共连接，每个公共连接自成体系，且连接到各自的中心参考点上，并将其用大截面绝缘导线连接到地。2）设备各部分的所有机架连接到公共点，并在滑动件与外壳间使用大截面编织导线连接，机架连接导线应尽量简短。3）对于信号传输，宜采用静电屏蔽、电磁屏蔽、绞合线和定向走线等，以保证低电平信号的布线不受控制电缆或动力电缆的
23、干扰影响。4）把灵敏的设备（带有脉冲或低电平工作元件）同一些开关设备（电磁继电器、晶闸管等）分离、屏蔽或分离加屏蔽。低电平信号的布线和控制电缆或动力电缆分开。7.7控制电路相关要求1）控制电路一般应配备最大电流达10A的单独的短路保护。允许控制电路和负载电路用共同的熔断保护器，但共用的电力熔断器应不大于10A。2）如果控制电路的触电设计为较小的电流，则串联的熔断器应与允许的电流值相应。7.8测量和指示电路相关要求1）测量和指示装置一般应有独立电路，用单独的熔断器件作短路保护。2）除带有防短路变压器的指示灯，或工作电压低于30V外，一般应为指示灯和控制灯串接单独的熔断器，以确保一个指示灯短路不会
24、影响整个系统。7.9电缆的相关要求1）有啮齿运动或其他动物损害电缆可能性的地方，应使用有金属编织层的电缆或使用护套。地下埋线要埋到合适的深度，以免遭车辆或农机的损坏。如果没有护管，地下电缆用护套或胶带作出标记。2）电缆和电线应符合下列标准或其他等效的标准：3）电缆和电线的电压不应低于相关电路工作电压。对于电压有变化的电路，则应不低于工作期间出现的最大电压。4）不管对机动性的要求如何，一般应使用含有几股或多股导线的电缆和电线。5）电缆和电线的载流量由一下两个因素确定：导线截面积应在最大稳态电流或其等效值情况下，导线温度不超过GB/T 5226.1或IEC 60204-1或其他等效标准的规定值。7
25、.10自励能自励的WTGS的任何电气系统，以电网失电时都应能脱离电网，而且保持安全脱离状态。如果一组电容器一并网WTGS并接（如功率因数补偿），应当设置一个适当的开关，以便电网功率亏损时，切除电容器组，以避免WTGS发电机自励。7.11过压保护过压保护的设计按照IEC 61312-1的要求进行。应规定过压保护极限，以使想电气设备输送的电压不会超过设备的绝缘水平。7.12谐波和功率调节装置应设计功率调节装置，如逆变器、功率电子控制器、静态无功自耦变压器等，以使谐波线电流和电压波形失真不妨碍电网的安全转换。特别是并网WTGS，它产生的电压谐波应该是在电网连接点超压波形失真不超过电网能承受的上限。7
26、.13分离装置当有维修和试验要求时，WTGS的电气系统应能与电源分离。半导体器件不能单独用分离装置。维修工作中为安全起见使用的照明或其他电气设备的附属电路，应有自己的分离装置。这样，当其他电路断电时，不受影响。8 防雷系统的相关安全要求WTGS的防雷系统的设计须满足IEC61024-1(建筑物防雷设计规范)和IEC61312-1(雷电电磁脉冲防护)的相关要求。8.1 雷电放电的分类及其防护雷电放电通常可分为直击雷、感应雷、雷电侵入波和球形雷四种。下面主要介绍前两种雷电放电的防护。1）直击雷防护：是保护建筑物本身不受雷电损害，以及减弱雷击时巨大的雷电流沿着建筑物泄入大地时对建筑物内部空间产生的各
27、种影响。直击雷防护主要采用独立避雷针（矮小建筑物）。建筑物防直击雷措施应采用避雷针、带、网、引下线、均压环、等电位、接地体。2）感应雷的防护：措施是对雷云发生自闪、云际闪、云地闪时，在进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲起限制作用，从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。采取的措施应根据各种设备的具体情况，除要有良好的接地和布线系统，安全距离外，还要按供电线路，电源线、信号线、通信线、馈线的情况安装相应避雷器以及采取屏蔽措施。8.2 防雷区的划分防雷区（LPZ）是闪电电磁环境需要限定和控制的那些区。它的任务是将电磁场和来至发射源的电磁干扰减小到限定值。根据IEC61312-1标准，防雷
28、区分为LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2等。各防雷区的特征是：LPZ0A区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击，因此可能传导全部雷电流。本区内的电磁场没有衰减。LPZ0B区：本区内的各物体不会遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。LPZ1区：本区内的各物体不会遭到直接雷击，流经各导体的电流，比LPZ0B区进一步减小，本区内的电磁场也可能衰减，这取决于屏蔽措施。LPZ2区（后续防雷区）：在电缆从一个防雷区通到另一个防雷区处，必须在每一交界处进行等电位连接。LPZ2是在这种方式下构成的，使雷电流不能导入此空间，也不能从此空间穿过。8.3 避雷器种类及其接线方式避雷器的种类基本上分三大类型：一
29、是电源避雷器（安装时主要是并联方式，也串联方式），按电压的不同，分22V的单相电源避雷器和380V的三相电源避雷器。二是信号型避雷器，多数用于计算机网络、通信系统上，安装的方式是串联。三是天馈线避雷器，它适用于有发射机天线系统和接收无线电信号设备系统，连接方式也是串联。8.4 接地分类及相关要求8.4.1 接地的种类除防雷接地外，还有交流工作接地、保护接地、直流接地、过电压保护接地、静电接地、屏蔽接地等等。8.4.2 电子设备的接地方式有独立地和合设地。独立地的接地电阻值除另有规定外，一般不大于4欧，并采用一点接地方式。电子设备接地宜与防雷接地系统共设，但其接地电阻不宜大于1欧。若与防雷地分设
30、，两接地系统的距离不宜小于20米。8.4.3 为了将雷电流流散入大地而不会产生危险的过电压，应注意接地装置的形状和尺寸设计，并应有低的接地电阻，其工频接地电阻一般应小于4欧，在土壤电阻率很大的地方可以放宽到10欧一下。8.4.4从防雷观点出发，风力发电机组宜设一共用接地装置，供所有接地之用（如防雷、电气系统、通讯系统）。对由于其他原因必须分开装设的基地装置，应采用等电位连接，连接到共用接地装置上。8.4.5 应采用接地体型式中的一种或几种组合，一个或多个环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直（或斜形）接地体。8.5 WTGS的防雷等级要求可按IEC62305-1标准，以被保护的风力发电机组遭受直接雷击的预计频率和年允许落闪次数为依据，确定风力发电机组的保护等级，进而确定相应的保护设备。风力发电机组应达到下列最低保护等级：1） 轮毂高度不超过60m的风力发电机组：保护等级/。2） 轮毂高度60m以上的风力发电机组：保护等级。9 运行和维护