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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
