新能源研究院
首页|研究院概况|相关业绩|新闻动态|科研成果|资料下载|联系我们
站内搜索:
 
  新闻动态
 行业标准规范 
 招标投标信息 
 相关政策--清洁供暖 
 相关政策--风力发电 
 行业动态--清洁供暖 
 行业动态--风力发电 
 
  行业标准规范    
JB/T 10300-2001《风力发电机组 设计要求》
2018-04-09 19:44   中国新能源网 审核人:

1范围

  本标准规定了风力发电机组的设计要求,其内容涉及风力机的环境条件、载荷确定、结构和系统设计以及噪声控制、安装与维修等。

  本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于40m2的风力发电机组设计,包括其全部有关的部件和各个子系统,例如风轮叶片、轮毂、机舱、塔架和基础、控制和保护系统、电气系统等。

  2引用标准

  下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

  GB/T 6391—1995滚动轴承额定动负荷和额定寿命的计算方法

  GB/T 12467.3—1998焊接质量要求金属材料的熔化焊第3部分一般要求

  GB/T 12469—1990焊接质量保证钢焊化焊接头的要求和缺陷分级

  GB/T 4662—1993滚动轴承额定静负荷

  GB 9969.1—1998工业产品使用说明书总则

  GB 17646—1998小型风力发电机组安全要求

  GB/T 19001—2000质量管理体系要求

  JB/T 10194—2000风力发电机组风轮叶片

  IEC 61400–1/E2∶1999风力发电机系统第一部分安全性要求

  IEC 6100–11噪声

  IEC 60721–2–1∶1982环境条件分类第二部分自然环境条件:温度和湿度

  IEC 61400–24∶1999结构防雷击保护第一部分通则

  ISO 2394∶1986结构可靠性通则

  3术语、定义、符号、缩略语及坐标系

  3.1术语及定义

  3.1.1年平均

  一组足够规模和足够长时间测量数据的平均值,用于作为数量期望值的估计。时间周期应是一个完整的年数,以便在季节性非稳定影响之外进行平均。

  3.1.2年平均风速

  按照年平均定义确定的平均风速。

  3.1.3锁定(对风力机)

  利用机械销和其他装置(与普通机械刹车不同)来防止部件运动,例如风轮轴或偏航机构。

  3.1.4灾难性故障(对风力机)

  部件或结构的解体或破坏,其结果将导致重要功能丧失而降低安全性。

  3.1.5复杂地形

  风电场地貌有明显变化的周围地形和会引起气流畸变的地面障碍物。

  3.1.6控制系统(对风力机)

  接收风力机状态和(或)其环境条件信息以及调整风力机使其保持在运行限制范围之内的一种子系统。

  3.1.7固有故障(又称潜在故障)

  在正常运行期间,零部件或系统存在的未被发现的故障。

  3.1.8顺风

  沿主风矢量方向的风。

  3.1.9电网

  为传输、分配电力而特有的装置、变电站、电线和电缆。

  注:该网各部分的界面由适当的准则,例如地理位置、所有权、电压等确定。

  3.1.10极端风速

  按t秒平均的最高平均风速。它是所规定N年时间周期(重复周期为N年)内,很可能遇到的风速。

  注:本标准采用重复周期N=50年和N=1年及平均时间间隔t=3s和t=10min。往往采用欠严谨的术语“存活风速”,但是对设计载荷情况本标准使用极端风速设计风力机。

  3.1.11破损–安全

  项目的一种设计特性,具有这种特性可防止其破损而引起临界故障。

  3.1.12阵风

  一种风速瞬间变化的风。

  注:阵风可以用它的增强时间、幅值和持续时间来表征。

  3.1.13轮毂高度(对风力机)

  风力机风轮扫掠面积中心距地面的高度(扫掠面积见1.3.39)。

  3.1.14空转(对风力机)

  风力机慢速旋转而不发电的状态。

  3.1.15湍流惯性副区

  风湍流谱的频率间隔,在此间隔内气团达到各向均匀后,其旋转运动不断减弱,并有微小的能量消耗。

  注:对典型的10m/s风速,其惯性副区大致为0.02Hz到2kHz。

  3.1.16隔离运行

  当脱离电网后,电力系统的独立部分长时和短时运行。

  3.1.17限制状态

  结构和作用在结构上的载荷的一种状态,超出此状态时结构不再满足设计要求(ISO 2394)。

  注:设计计算(即限制状态设计要求)的目的在于使限制状态的概率保持低于为所研究结构型式规定的某个值(ISO 2394)。

  3.1.18对数风切变定律

  见风廓线(3.1.46)。

  3.1.19最大功率(对风力机)

  在正常运行情况下,风力机发出的净电功率的最大值。

  3.1.20平均风速

  对风速瞬时值按给定时间周期平均的统计平均风速,时间周期可以从几秒到许多年。

  3.1.21机舱

  位于水平轴风力机塔顶而容纳驱动–传动和其他元件的结构空间。

  3.1.22电网连接点(对风力发电机组)

  单台风力机或风电站电缆的终端同场站电力汇集系统电力总线的连接点。

  3.1.23电力汇集系统(对风力发电机组)

  汇集一台或多台风力机功率的电力连接系统,它包括连接风力发电机组终端和电网连接点之间的所有电气设备。

  3.1.24风切变幂定律

  见风廓线(3.1.46)。

  3.1.25输出功率

  为了特定的目的,一种装置以特定的形式产生的功率。

  注:(风力机)在任何时间,由风力发电机组所产生的电能。

  3.1.26保护系统(对风力机)

  保证风力发电机组保持在设计限制内的系统。

  3.1.27瑞利分布

  一种概率分布函数,见风速分布3.1.47。

  3.1.28参考风速(Vref)

  为定义风力发电机组等级而采用的一个基本极端风速参数,由参考风速和其他基本风力发电机组等级参数可导出其他设计相关气候参数(见5.2)。

  注:以参考风速定义风力发电机组等级的风力机,应设计成能经受在风力机高度处重复周期为50年的极端10min平均风速的气候条件,此极端平均风速应小于或等于参考风速Vref。

  3.1.29共振

  在一个振动系统内,当强迫振动周期非常接近自由振动周期时出现的一种现象。

  3.1.30旋转抽样风速

  在旋转风力机风轮固定点所经受的风速。

  注:旋转抽样风速的湍流谱和正常湍流谱有着明显不同。当旋转时,叶片切穿空间变化的风流,因此最后得到的湍流谱在旋转频率和相同谐波含量方面将有很大的差异。

  3.1.31粗糙度长度

  如果假设垂直风廓线随高度呈对数变化,则可外推出平均风速等于零的高度。

  3.1.32安全寿命

  具有公认灾难性破坏概率的规定使用寿命。

  3.1.33计划维修

  根据制定的时间计划进行的预防性维修。

  3.1.34可使用限制状态

  符合正常使用管理职能准则的限制状态(ISO 2394)。

  3.1.35正常关机(对风力机)

  一种通过控制系统控制来实施所有关机步骤的关机。

  3.1.36停止

  使风力机停止运行的状态。

  3.1.37支撑结构

  风力机塔架及基础部分。

  3.1.38存活风速

  所设计结构应能承受最大风速的一个常用名称。

  注:本标准不用此名称,设计状态用极端风速(见3.1.10)替代。

  3.1.39扫掠面积

  风轮旋转一周形成的面积在垂直风向平面内的投影。

  3.1.40湍流强度

  风速标准差与平均风速之比,它可以根据在一规定时间周期内用同组风速测量数据子样确定。

  3.1.48风切变指数

  也称为幂定律指数,见3.1.46。

  3.1.49风速

  一空间规定点的风速是此规定点周围微量空气运动的速度。

  注:风速也是当地风速矢量的大小(见3.1.51)。

  3.1.50风力发电机组

  将风的动能转化成电能的系统。

  3.1.51风速矢量

  所研究点周围微量空气运动方向上的一矢量点,此矢量大小等于该空气微团的运动速度(即当地风速)。

  注:在任何一点的矢量是通过此点运动的空气微团位置矢量的时间导数。

  3.1.52风力发电机组的电气系统

  风力发电机组内的所有电气设备,直至和包括该系统的各个接线端,包括接地、搭铁和通讯设备。

  还包括风力发电机组自身的导体,这些导体专门用于为其提供接地网。

  3.1.53风力发电机组导线接头

  由风力发电机组供应商确定的一个或几个点,在这些点可把风力发电机组接入电力汇集系统,这些接头还包括能量转换和通讯接头。

  3.1.54偏航

  风轮轴绕垂直轴转动(仅对水平轴风力机而言)。

  3.1.55偏航角误差

  风力机风轮轴偏离风向的水平偏差。

  3.2符号和缩略语

  3.3坐标系

  3.3.1叶片坐标系

  叶片坐标系的原点在叶片根部且随风轮旋转,XB轴的正向顺着风向,ZB轴沿叶片径向,指向叶尖,YB轴方向按右手坐标系法则确定。

  3.3.2轮毂坐标系

  轮毂坐标系的原点在转动中心且不随风轮转动,XH的正向顺着风,ZH轴垂直向上,YH轴方向按右手坐标系法则确定。

  3.3.3塔架坐标系

  塔架坐标系的原点在风轮旋转轴线和塔架的中心线的交点,且不随风轮转动,XT轴顺着风向,ZT轴垂直向上,YT轴方向按右手坐标系法则确定。

  4一般要求

  4.1总则

  在规定外部条件、设计工况和载荷情况下,应保证风力发电机组在其设计使用寿命期内安全正常地工作。

  本标准要求采用结构动力学模型、5.2.3规定的湍流和其他极端风况,以及5.3.4规定的设计工况和载荷情况,确定整个速度范围的载荷。应对规定的外部条件和设计工况的所有相关组合进行分析,以确定具体型号风力发电机组设计载荷情况组。

  应采用计算和(或)试验方法验证设计结果的正确性。当采用试验方法验证时,试验条件应满足本标准规定的要求。

  4.2安全等级

  应根据下列两种安全等级之一设计风力发电机组:

  a)正常安全等级,当风力发电机组损坏将导致人员受伤或造成经济损失和社会影响时,可使用此等级;

  b)特殊安全等级,当根据地方法规确定安全要求和(或)由制造商与用户之间商定安全要求时,可使用此等级。

  本标准5.3.6规定了正常安全等级风力发电机组的局部安全系数,制造商和用户之间应商定特殊安全等级风力发电机组的局部安全系数。根据特殊安全等级设计的风力发电机组,即为5.2.2风力发电机组等级中规定的S级风力机。

  4.3质量保证

  质量保证应是风力发电机组及其所有零部件设计中的一个组成部分。

  质量保证体系应遵循GB/T 19001的要求。

  4.4风机标牌

  至少下列信息应显著和清楚地标示在不易消失的风力发电机组铭牌上:

  ——风力发电机组制造商和国家;

  ——产品型号和系列号;

  ——生产年份;

  ——额定功率;

  ——参考风速;

  ——轮毂高度运行风速范围Vin~Vout;

  ——运行大气温度范围;

  ——风力发电机组等级(见表1);

  ——风力发电机组输出端额定电压;

  ——风力发电机组输出端频率或频率范围,对此情况,额定偏差应大于2%。

  5详细要求

  5.1总则

  风力发电机组设计,应满足本章各条规定的要求,其中包括外部条件、设计工况和载荷情况、局部安全系数、结构强度分析、各零部件和系统设计,以及噪声、安装和维修等。

  5.2外部条件

  5.2.1概述

  设计风力发电机组时,应当考虑本章规定的外部条件。风力发电机组经受的环境和电力条件,可能会影响其受载、耐久性和运行。为保证适当的安全性和可靠性水平,设计中应考虑环境、电网和土壤参数,并应在设计文件中明确规定。

  环境条件可进一步分为风况和其他外部条件,电力条件是指电网的状况。土壤特性关系到风力发电机组的基础设计。

  每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件一般涉及的是长时期的结构受载和运行状态。而极端外部条件是罕见的,但它是潜在的临界外部设计条件。设计载荷情况应由这些外部条件同风力发电机组运行模式组合构成。

  风况是结构完整性设计主要考虑的外部条件。其他环境条件也对设计特性,比如控制系统功能、耐久性和腐蚀等有影响。

  在下列条文中,规定了根据风力发电机组等级设计时,所要考虑的正常和极端外部条件。

  5.2.2风力发电机组等级

  设计中需考虑的外部条件,取决于风力发电机组安装的预定场地或场地类型。依据风速和湍流参数确定风力发电机组的等级。划分等级的目的是为了包含最广泛的应用。风速值和湍流参数可用于表示许多不同场地的特性值,但不能给出任何特定场地的准确表述。目的是按强度变化明显程度对风力发电机组分类,而强度变化取决于风速和湍流参数。表1规定了风力发电机组等级的基本参数。

  对一些需要特殊设计(如特殊风况或其他外部条件或特殊安全等级)的情况,规定了其他风力发电机组等级—S级。S级风力发电机组的设计值应由设计者选择,并在设计文件中规定。对这样的特殊设计,设计状态的选取值应反映比预期使用风力发电机组更严重的环境。

  近海安装的特殊外部条件,要求风力发电机组按S级设计。

  除这些基本参数外,还需要某些其他重要参数,以便用来完整规定风力发电机组设计中采用的外部条件。对风力发电机组的IA~IVB级,以后统称为标准风力发电机组等级,在5.2.3、5.2.4、5.2.5中规定了这些等级的补充参数值。

  设计寿命应至少20年。

  对S级风力发电机组制造商,应在设计文件中说明使用的模型和主要设计参数值。采用第5章模型时,对参数值应作充分说明。S级风力发电机组的设计文件包含附录A列出的资料。

  在5.2.3中,条文标题括号中的缩写字母表示5.3.4中规定设计工况和载荷情况的风况。

  5.2.3风况

  风力发电机组应设计成能安全承受由选定的风力发电机组等级决定的风况。

  风况设计值应在设计文件中明确规定。

  从载荷和安全角度考虑,风况可分为风力发电机组正常运行期间频繁出现的正常风况及按1年或50年重复周期确定的极端风况。

  在所有情况中,应考虑平均气流相对水平面达8°倾斜角的影响,假定气流倾斜角不随高度改变而变化。

  5.2.3.1正常风况

  5.2.3.1.1风速分布

  场地的风速分布对风力发电机组设计相当重要,因为它决定了各个载荷状态出现的频率。对标准等级的风力发电机组,为了便于设计载荷计算,假定在10min时间周期内风速平均值按瑞利分布。在此情况下,轮毂高度的平均风速概率分布由式(5)给出:

  5.2.4其他环境条件

  除风况之外,其他环境(气候)条件如热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用,都会影响风力发电机组的安全性和完整性。而且,给出的气候参数的组合会增加其影响。

  至少应考虑下列其他环境条件,并且在设计文件中说明其作用:

  ——温度;

  ——湿度;

  ——空气密度;

  ——阳光辐射;

  ——雨、冰雹、雪和冰;

  ——化学活性物质;

  ——机械活动微粒;

  ——雷电;

  ——地震;

  ——盐雾。

  近海环境需要考虑附加特殊条件。

  应根据典型值或可变条件的限制,确定设计用的气候条件。选择设计值时,应考虑几种气候条件同时出现的可能性。在与年轮周期相对应的正常限制范围内,气候条件的变化应不影响所设计的风力发电机组的正常运行。

  5.2.4.1其他正常环境条件

  应考虑下列其他正常环境条件值:

  ——机组正常运行环境温度范围–10~+40℃(对于北方型风力机,低温为–20℃);

  ——相对湿度不大于95%;

  ——大气成分含量与无污染的内陆大气(见IEC 60721–2–1)相当;

  ——阳光辐射强度1000W/m2

  ——空气密度1.225kg/m3

  当设计者规定附加外部条件参数时,这些参数及其值应在设计文件中说明,并应符合IEC 60721–2–1的要求。

  5.2.4.2其他极端环境条件

  风力发电机组设计应考虑的其他极端环境条件有温度、雷电、冰和地震。

  5.2.4.2.1温度

  对于标准风力发电机组等级,极端温度范围的设计值应至少是–20~+50℃(对于北方型风力机,低温为–30℃)。

  5.2.4.2.2闪电

  对于标准等级的风力发电机组,应考虑5.5.2.2要求的闪电防护措施。

  5.2.4.2.3冰

  对于标准等级的风力发电机组,应给出最低防冰要求。

  5.2.4.2.4地震

  对于标准等级的风力发电机组,应给出最低防震要求。

  5.2.5电网条件

  设计中应考虑的风力发电机组输出端的正常条件列出如下。

  当下列参数在下述范围之内时,采用正常电网条件:

  ——电压

  额定值±10%;

  ——频率

  额定值±2%;

  ——电压不稳定性

  电压负序分量与正序分量的比率不超过2%;

  ——停电

  假定电网停电每年20次,应按最长停电持续时间设计风力机,最长停电持续时间应至少一周。

  5.3结构设计

  5.3.1概述

  风力发电机组的结构设计应以承载零部件结构完整性的验证为基础。应通过计算和(或)试验验证结构件的极限强度和疲劳强度,以证实具有适当安全水平风力发电机组的结构完整性。

  结构分析应以ISO 2394或其他适用标准或手册为依据。

  应通过计算和(或)试验来确定和验证可接收的安全水平,以证实设计加载不会超过相应的设计抗力。

  应使用适当的方法进行计算,在设计文件中应有计算方法说明。这些说明应包括计算方法有效性的证据,或相应验证研究用的参考文献。任何试验载荷水平都应反映相应计算用的安全系数。

  5.3.2设计方法

  应验证风力发电机组的设计不超过限制状态,正如ISO 23943)所规定,也可用模型试验和原型机试验代替结构设计验证计算。

  5.3.3载荷

  设计计算应考虑的载荷在5.3.3.1~5.3.3.4中规定。

  5.3.3.1惯性载荷和重力

  惯性载荷和重力是由于振动、转动、地球引力和地震引起的作用在风力发电机组上的静态和动态静荷。

  5.3.3.2气动载荷

  气动载荷是由气流及气流与风力发电机组不动和运动部件相互作用引起的静态和动态载荷。

  气流取决于风轮转速、通过风轮平面的平均风速、湍流、空气密度和风力发电机组零部件的气动外形及相互影响(包括气动弹性效应)。

  5.3.3.3运动载荷

  运行载荷是由于风力发电机组的运行和控制产生的,可将它们分成若干类。每一类都与风轮转数的控制有关,例如通过叶片或其他气动装置的变距进行扭矩控制。运行载荷包括由风轮停转和启动,发电机接通和脱开引起的传动链机械刹车和瞬态载荷,以及偏转载荷。

  5.3.3.4其他载荷

  其他载荷,如波动载荷、尾流载荷、冲击载荷、冰载荷等都可能发生,凡是适用的均应考虑。

  5.3.4设计工况和载荷情况

  本条介绍风力发电机组设计载荷情况的构成,并规定了应考虑的最低数量。

  为了设计目的,可用一组包含风力发电机组可能经历的最重要状态的设计工况来给出风力发电机组的寿命。

  确定载荷情况应以具体的装配、吊装、维修、运行状态或设计工况同外部条件的组合为依据,必须考虑具有合理出现概率的所有相关载荷情况,以及控制和保护系统的特性。

  通常用于确定风力发电机组结构完整性的设计载荷情况,可由下列组合进行计算:

  ——正常设计工况和正常外部条件;

  ——正常设计工况和极端外部条件;

  ——故障设计工况和允许的外部条件;

  ——运输、安装和维修设计工况和适当的外部条件。

  如果极端外部条件和故障工况之间存在某种联系,则应将两者的实际组合作为一种设计载荷情况。

  在每种设计工况中,应考虑用几种设计载荷情况验证风力发电机组零部件的结构完整性。至少应考虑表2中的设计载荷情况,此表中的设计载荷情况是按照每个设计工况给出的,并有风况、电网和其他外部条件规定。

  如特殊风力发电机组设计需要时,应考虑与安全有关的其他设计载荷情况。

  对每种设计工况,在表2中用F和U规定了分析适用的类型。F表示疲劳载荷分析,用于疲劳强度评定;U表示极限载荷分析,如超过材料最大强度分析,叶尖变形分析和稳定性分析。

  标有U的设计工况分为正常(N)类、非正常(A)类或运输和吊装(T)类。在风力发电机组寿命期内,预期的正常设计工况是经常出现的,风力机处于正常工作状态或可能出现轻微故障或异常。非正常设计工况出现的可能性较小,它们通常对应于产生较严重故障,如保护系统故障的设计工况。N、A或T类设计工况规定了对极限载荷使用局部安全系数Υf。这些系数在5.3的表3和表4中给出。

  当表2指出风速范围时,应考虑导致风力发电机组设计最不利状态的风速。可将该范围分为若干段,对每一段应给出风力发电机组寿命的适当百分比。在设计载荷情况定义中,应使用5.2.3所描述的风况。

  5.3.4.1发电(DLC1.1~1.9)

  对此设计工况,风力发电机组处于运行状态,并有电负载。设定的风力发电机组构形应计及风轮不平衡的影响。在设计计算中应考虑风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制(如叶片的变距角和扭转角偏差)。

  此外,在运行载荷分析中,应考虑实际运行同理论上最佳运行工况的偏差,如偏航角度误差和控制系统跟踪误差。

  在计算中应假设各种情况的最不利组合,如风向改变与典型偏航角度误差组合(DLC1.8)或者阵风与电气接头损坏组合(DLC1.5)。设计载荷情况(DLC1.1和1.2)包含由大气湍流引起的载荷要求。

  DLC1.3和1.6~1.9规定了作为风力发电机组寿命评定的可能临界事件的瞬态情况。在DLC1.4和1.5中,考虑了由于外部故障和电气接头损坏引起的瞬变事件。

  5.3.4.2发电和产生故障(DLC2.1~2.3)

  控制和保护系统的任何故障,或电气系统的内部故障(如发电机短路),对风力发电机组负载有明显影响,应假设它们在发电期间有可能发生。对于DLC2.1,控制系统出现的故障属正常事件,应加以分析。对于DLC2.2,保护系统或内部电气系统出现的故障为罕见事件,应加以分析。如果一故障未引起立刻停机和随后的负载可导致结构产生明显疲劳损伤,则应在DLC2.3中评估这种工况的可能持续时间。

  5.3.4.3启动(DLC3.1~3.3)

  这种设计工况包括从任一静止位置或空转状态,到发电过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。

  5.3.4.4正常关机(DLC4.1~4.2)

  此设计工况包括从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。

  5.3.4.5应急关机(DLC5.1)

  考虑由于应急关机引起的载荷。

  5.3.4.6停机(静止或空转)(DLC6.1~6.2)

  停机后的风力机风轮可能处于静止或空转状态,采用极端风况对其进行设计。如果某些零部件可能产生明显疲劳损伤(如由于空转叶片重量引起的),还应考虑在每个适当风速下所预期的不发电小时数。

  电网损坏对停机后的风力机影响,也应当加以考虑。

  5.3.4.7停机和故障状态(DLC7.1)

  当电网或风力发电机故障引起停机后的风力发电机组正常特性变化时,应要求对其进行分析。在停机工况中,如果风力发电机组正常特性变化是由任一非电网损坏故障引起时,则各种可能的后果应是分析的主题。故障状态应当同极端风速模型(EWM)及一年重复周期相组合。

  5.3.4.8运输、组装、维护和修理(DLC8.1)

  制造商应规定风力发电机组运输、组装、维护和修理所假定的所有风况和设计工况。如果它们对风力发电机系统产生显著载荷,则在设计中应考虑最大允许风况。

  5.3.5载荷计算

  对每种设计载荷情况,应考虑5.3.3.1~5.3.3.4所规定的载荷。若与下列因素有关,也应予以考虑:

  ——由风力发电机组自身(尾流诱导速度、塔影效应等)引起的空气流场扰动;

  ——三维气流对叶片气动特性的影响(如三维失速和叶尖气动损失);

  ——非定常空气气动力学效应;

  ——结构动力学和振动模态的耦合;

  ——气动弹性效应;

  ——风力发电机组控制系统和保护系统的性能。

  5.3.6局部安全系数

  局部安全系数与载荷和材料的不确定性和可变性以及分析方法的不确定性和结构零部件的重要性(相对破坏后果而言)有关。

  5.3.6.1方法

  为了保证载荷和材料的安全设计值,可采用式(21)和式(22)确定的载荷局部安全系数和材料局部安全系数。

  5.3.8.4对于连接件及其接头强度分析,除采用上述局部安全系数外,还应采用1.15的接头系数。对受力铸件,还应采用1.25~2.0(视检验类别而定)的铸件系数。

  5.3.9疲劳和损伤容限分析

  5.3.9.1对于采用无限寿命设计原则设计的零部件,应保证风力发电机组在运行中发生疲劳破坏的概率极小。

  对于采用安全寿命设计原则设计的零部件,在给定风力发电机组的使用寿命期内,应保证发生疲劳破坏的概率极小。

  对于采用损伤容限设计原则设计的零部件,应综合考虑材料、应力水平和结构形式,以减少由于未发现的缺陷、裂纹或损伤的扩展而造成风力发电机组破坏的概率。

  按损伤容限设计的零部件,应该是破损–安全零部件或安全裂纹扩展零部件,或者这两者型式的组合。为了评定结构的裂纹扩展特性和剩余强度特性,应进行损伤容限试验和损伤容限分析。

  5.3.9.2应采用合适的疲劳损伤准则,对结构疲劳强度进行评估。例如,在采用迈纳准则情况下,当累积损伤超过1时,就达到了限制状态,所以在使用寿命期内,风力机的累积损伤应小于或等于1:

  5.3.10稳定性和临界变形分析

  5.3.10.1稳定性

  在特性载荷作用下,零部件不应产生扭曲或屈曲。在设计载荷下,只有非破损–安全部件的承载零件不应产生扭曲或屈曲。对于所有其他部件,在此载荷下可产生弹性屈曲。

  稳定性分析用的载荷局部安全系数γf最小值,应根据5.3.8.1选取,以考虑极端载荷的不确定性。

  5.3.10.2临界变形

  应证明在表2设计情况下不会产生影响风力发电机组安全的变形。最重要的要求之一,是证明叶片和塔架之间不会产生机械干扰。

  对表2规定的载荷情况,应确定不利方向的最大弹性变形,并且计算结果应乘以载荷组合局部安全系数、材料及后果局部安全系数。

  载荷局部安全系数γf应从表3中选取。

  材料局部安全系数γm应根据5.3.8选取。特别要注意几何不确定性和变形计算方法的精度。

  破坏后果局部安全系数为:

  一类零部件:γn=1.0

  二类零部件:γn=1.15

  5.3.11动力学分析

  在所有设计运行工况下和给定使用寿命期内,风力发电机组不应发生任何机械及气动弹性不稳定现象,也不应产生有害的或过度的振动。

  应通过试验或可靠的分析证明风力发电机组设计满足上述要求。

  5.3.12风轮叶片

  5.3.12.1设计要求

  应在给定的安全等级下,进行叶片的气动设计,确定风轮的总体参数,计算叶片的性能。必要时,可在风洞中进行叶片模型试验,以验证风轮叶片设计的正确性。应考虑在5.3.4规定的设计工况和载荷情况下,通过计算、分析和(或)试验,使其满足静强度、疲劳强度、稳定性及变形要求,以保证风力机在安全使用寿命期内可靠地运转。

  5.3.12.2叶片设计

  5.3.12.2.1气动设计

  5.3.12.2.1.1主要参数选取

  a)在进行风轮叶片气动设计之前,应确定下列主要参数:

  ——切入风速;

  ——切出风速;

  ——风轮直径;

  风轮直径按式(26)确定:

  5.3.12.3设计载荷

  应根据5.3.4规定的设计工况和载荷情况进行叶片的静载荷和动载荷计算。作用在叶片上的载荷主要有空气动力、重力、离心力、惯性力等。

  5.3.12.4结构设计

  应在规定的运行工况及外部环境条件下,叶片的结构满足5.3.1~5.3.11规定的静强度、疲劳强度和动强度要求。

  5.3.12.4.1材料要求

  用于叶片制造的材料按JB/T 10194中的有关规定。

  所选择的材料性能指标及化学成分应符合现行有效标准或其他有关技术条件要求。材料供应商应提供材料出厂检验合格证。

  5.3.12.4.2叶片设计

  应根据叶片承受的外载荷进行叶片的剖面结构设计和叶片的铺层设计。复合材料的叶片剖面结构通常为空腹薄壁结构,根据具体受载情况,分别设置大梁、肋条或在空腹内充填硬质泡沫塑料作为增强材料。有关增强材料、树脂、芯材和铺层的要求详见JB/T 10194。

  5.3.12.4.3叶片强度计算

  a)叶片静强度计算应根据5.3.4规定的设计工况和载荷情况以及5.3.8的要求进行。

  b)叶片的疲劳强度评定应根据5.3.4规定的设计工况和载荷情况编制的适用载荷谱,采用5.3.9规定的方法进行。

  c)叶片的刚度和质量分布,应至少使其挥舞Ⅰ、Ⅱ阶固有频率、摆振Ⅰ阶固有频率、扭转Ⅰ阶固有频率与激振频率分开,以避免发生过度振动和(或)共振。

  5.3.13轮毂

  轮毂是风力机的主要部件,用于安装风轮叶片或叶片组件于风轮轴上。

  5.3.13.1设计要求

  a)轮毂可以用球墨铸铁、铸钢或钢板焊接而成。焊接轮毂的焊缝必须经过超声波检查,并考虑由于交变载荷引起的焊缝疲劳。

  b)叶片与轮毂必须采用高强度的螺栓连接,并有防止松动的措施。

  5.3.13.2设计载荷

  轮毂的设计载荷应考虑叶片可能承受的最大离心载荷、气动载荷、惯性载荷、重力等,对于焊缝还要考虑风轮的交变应力。

  5.3.13.3强度计算

  必须按叶片可能承受的最大离心载荷和其他载荷对轮毂钢板进行静强度计算,且对其焊缝进行疲劳强度分析,其强度计算方法按有关规定。

  5.3.14其他机械零部件

  风力机机械零部件除风轮外,一般还包括齿轮传动装置、偏航系统、轴承、机械刹车装置和锁定装置、联轴器、液压系统及其螺栓连接件。

  5.3.14.1齿轮传动装置

  风力机齿轮传动装置用来连接风轮与发电机,并实现转速的变换与能量的传递,包括低速轴、增速器、轮毂主轴以及联轴器等。为了保证齿轮传动装置能够正常工作,传动系统中还应设有润滑装置和必要的支承。

  5.3.14.1.1设计要求

  5.3.14.1.1.1齿轮传动装置应能承受所规定的极限限制状态载荷,包括静载荷和动载荷。在传动装置工作转速范围内,传动轮系、轴系应不发生共振。

  5.3.14.1.1.2传动装置中应装有润滑和冷却装置,且必须提供油位测量设备以便检查润滑油油位。在传动装置具有循环润滑情况下,应在散热器后和进入传动装置前设置滑油温度和压力监测设备。必须提供一套清洁润滑油的装置。为了能检查齿圈,推荐使用活动口盖。传动装置机械零部件应进行防腐蚀设计。

  5.3.14.1.1.3传动装置中的紧固件应尽量采用标准件,其零部件的种类要限制在最小范围内。传动装置的设计应结构简单、容易加工并保证使用中维修方便。

  5.3.14.1.1.4轮毂应采用单键或双键把风轮的转矩传递给主轴,主轴必须装配牢固、拆卸方便,并避免装配中应力集中。

  5.3.14.1.1.5为了使风力机在旋转中保证锁定风轮用的轴端螺母越转越紧而不松脱,主轴螺母的螺纹应符合特殊规定。如果顺风向看风轮是顺时针旋转,则螺母要用左旋螺纹,反之要用右旋螺纹。

  5.3.14.1.1.6主轴材料应具有强度、塑性、韧性三方面较好的综合力学性能。

  5.1.14.1.1.7主轴上的推力轴承应按风轮在运行中所承受的最大气动推力来选取。

  5.3.14.1.2设计载荷

  5.3.14.1.2.1传动装置的传扭部件应考虑承受静、动扭转载荷。其动载荷部分取决于驱动端(风轮)、传动端(发电机)的特性和主动与从动部件(轴和联轴器)的质量、刚度和阻尼值以及风力机的外部工作条件。

  5.3.14.1.2.2传动装置载荷谱可通过实测得到或通过计算确定。如果使用简化等幅载荷谱来设计风力机的传动装置,其动载荷可使用系数1.5来修正。对于三片叶片的风力机可以使用系数1.3来修正。如果原型机上的测量数据对风力机载荷谱确定积累了丰富的经验,则用于修正的系数可作相应调整。

  5.3.14.1.2.3主轴主要设计载荷有:工作转矩、风轮的陀螺力矩以及风轮所受的重力等。

  5.3.14.1.3强度计算

  5.3.14.1.3.1静强度计算

  5.3.14.1.3.1.1主轴一般仅进行静强度计算。在进行强度计算时,应综合考虑主轴上工作转矩、风轮的陀螺力矩以及风轮所受的重力的综合影响,其强度计算按通常方法进行。

  5.3.14.1.3.1.2齿轮轮齿

  风力机传动装置轮齿静强度计算应使用以下安全系数:

  对于轮齿表面接触静强度计算,取其安全系数≥1.0;

  对于轮齿齿根断裂静强度计算,取其安全系数≥1.4。

  轮齿的静强度计算应采用产生最大扭矩的载荷情况进行。轮齿齿根和其表面上的应力值应不超出对应轮齿齿根断裂和表面形成凹坑的强度极限值。

  5.3.14.1.3.1.3轴及其连接件

  轴及其连接件静强度计算用的载荷,按对其产生最大载荷的载荷情况确定。安全系数应符合5.3.8.1~5.3.8.4的规定。

  5.3.14.1.3.2疲劳强度计算

  5.3.14.1.3.2.1齿轮轮齿

  a)齿轮轮齿的疲劳强度分析应建立在轮齿应力分析和确定其疲劳特性(S–N曲线)基础上。前者可根据载荷谱采用适用应力分析程序进行,后者可查有关手册或通过试验获得。疲劳损伤破坏可根据线性损伤累积理论来确定。

  b)对于轮齿疲劳分析使用以下安全系数:

  按典型载荷谱计算:

  对齿表面接触疲劳强度计算,取其安全系数≥1.2;

  对齿根弯曲疲劳强度计算,取其安全系数≥1.5。

  按简化载荷谱计算:

  对齿表面接触疲劳强度计算,取其安全系数≥1.3;

  对齿根弯曲疲劳强度计算,取其安全系数≥1.7。

  5.3.14.1.3.2.2轴及其连接件

  轴的疲劳分析按5.3.9.2的式(5)进行。对于连接件一般不需进行疲劳强度分析。

  5.3.14.2偏航系统

  风力机偏航系统有主动偏航系统和被动偏航系统。主动偏航系统依据风向仪感受的信息由控制系统自动执行偏航,被动偏航系统用人工操作。

  偏航系统有齿轮驱动和滑动两种形式。齿轮驱动形式的偏航系统一般由齿圈(带齿的轴承环)、偏航齿轮和驱动电机及摩擦刹车装置(或偏航刹车装置)组成。其作用是保证风轮始终处于迎风状态,使风力机有效地获得风能

  5.3.14.2.1设计要求

  a)偏航环分内齿和外齿两种形式,一般用内齿形式,因内齿啮合与受力效果较好。对于主动偏航系统,机舱偏航对风力矩由驱动电机提供,其力由偏航齿轮传至塔体。

  就内齿形偏航环而言,偏航环内齿的偏航环轴承与塔顶分别与机舱和塔体用螺栓连结,外圈与机舱底座连结,内圈与塔顶法兰盘连接。

  b)偏航齿轮驱动电机带有电刹车装置,当驱动偏航齿轮时,刹车装置松开,当要维持机舱方向不变时,采用电刹车装置(一般用于维修)。为避免振荡的风向变化,引起偏航轮齿产生交变载荷,采用偏航阻尼器,吸收微小自由偏转振荡,防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。

  c)偏航系统必须设置润滑装置,以保证驱动齿轮和偏航环形圈的润滑。对于由风向冲击叶片或风轮产生偏航力矩的装置,应经试验证实其有效性。

  d)偏航刹车装置设计计算按5.3.14.4进行。

  5.3.14.2.2设计载荷

  a)应按照5.3.3~5.3.5规定的载荷对偏航系统进行应力计算。对于具有主动偏航系统的风力机,还必须考虑由于机舱振荡产生的作用在轮齿上的交变载荷。

  b)对于非运动部件,应按照5.3.3~5.3.5规定的载荷进行静强度计算。

  c)对于偏航齿轮,其疲劳强度计算用的载荷应使用1.3的安全系数,而静强度分析载荷使用1.0安全系数。

  5.3.14.2.3强度计算

  5.3.14.2.3.1轮齿

  a)偏航齿轮和偏航环的轮齿的强度计算按照5.3.14.1.3所述方法进行。

  b)对于轮齿齿根和齿表面的强度分析,应使用以下安全系数:

  静强度分析:

  对齿表面接触强度,安全系数应不小于1.0;

  对轮齿齿根断裂强度,安全系数应不小于1.2。

  疲劳强度分析:

  对齿表面接触强度,安全系数应不小于0.85;

  对轮齿齿根断裂强度,安全系数应不小于1.0。

  c)对于轴及其连接件,应按5.3.14.1.3.2.2及5.3.14.1.3.1.3同样方法进行疲劳和静强度分析。

  5.3.14.3轴承

  风力机的轴承主要用于传动轮系、机舱和其他传递功率组件的支承。传动系统一般采用滚柱和普通轴承。

  5.3.14.3.1轴承的设计要求

  a)应根据轴承承受的静载荷和使用寿命按照GB/T 4662和GB/T 6391来确定轴承结构尺寸。对于主要承受小幅摆动的轴承,要求仅按其静载荷设计。按静载荷设计的轴承,应使用极端载荷。应按正常运行载荷确定轴承的使用寿命。

  b)应使用制造商推荐的润滑剂和润滑油。轴承必须密封,以保证相邻组件间的运动不会产生有害的影响。轴承体的硬度应不小于55HRC。

  c)风轮叶片轴承(对变距叶片而言)和偏航环轴承的材料应按规定进行审定。

  d)对于主要承受小幅摆动运动的轴承还应在–20℃条件下进行Ⅴ型切口冲击能量试验,要求三次试验平均值不小于27J。

  e)机械部件中的轴承的运输应保证不损伤轴承滚道表面或滚柱体。

  5.3.14.3.2轴承计算

  a)轴承静承载能力定义为轴承静载系数和当量静载荷之比。轴承在极端载荷下的静承载能力应不小于2.0。主要承受小幅摆动运动载荷的轴承其承载能力应不小于1.5。

  b)轴承使用寿命的计算

  (1)轴承使用寿命采用扩展寿命计算方法进行。计算中所用的失效概率设定为10%,若使用典型载荷谱,其平均当量动载荷按式(29)计算:

  5.3.14.4机械刹车装置及锁定装置

  风力机的机械刹车装置及锁定装置用来保证风力机在维修或大风期间以及停机后的风轮处于制动状态并锁定,而不致盲目转动。它应设计成当刹车装置作用时,能够保证风轮安全达到静止状态。

  5.3.14.4.1设计要求

  a)风力机机械刹车装置及锁定装置设计时,应考虑设计工况和载荷情况与刹车引起的刹车力矩的组合,同时保证机械制动器工作时其刹车力矩和所要求值相等。刹车过程中由于刹车而产生的刹车力矩应不会导致部件(尤其是风轮叶片、风轮轴、风轮叶片连接件、轮毂)产生过大的应力。

  b)刹车表面应用盖子、防护板或类似物进行保护,以使其免受滑油污垢等不利的影响。

  c)如果机械刹车装置的刹车衬料过度磨损,则应提供磨损指示器对衬料磨损程度进行监测,以保证风力机能正常关机。若机械刹车装置采用弹簧操作,则应设有能自动调节弹簧最小弹性力的设备。

  d)就刹车系统作用的压力而言,即使没有动力供给,机械刹车装置也能刹住风轮长达5天。刹车衬料应便于维护和更换。

  e)偏航系统刹车装置应按控制系统要求进行设计。

  f)锁定装置必须设计成正操纵,并且保证传动装置和偏航系统具有良好的可达性和维护性。

  5.3.14.4.2设计载荷

  a)风轮刹车的设计刹车力矩应取附录D中计算的最大设计力矩和1.5倍的额定刹车力矩两者中的较大值,并考虑如下安全系数:

  对于摩擦刹车,取1.2的安全系数(烧结衬料);

  对于接触压力情况,取1.1的安全系数。

  当采用与烧结衬料不同的材料时,其安全系数和摩擦系数需协商确定。

  b)设计时,应对由于磨损而引起的刹车力矩的减小加以考虑。

  c)在每年的阵风季节,要求风轮刹车或偏航锁定装置能够将风轮在阵风情况下锁定。

  5.3.14.4.3计算

  a)机械刹车装置通常采用传统分析方法进行。

  b)为了验证,应给出如下资料和数据:

  ——型号和结构;

  ——刹车装置的额定刹车力矩;

  ——弹簧特性(仅对弹簧刹车装置而言);

  ——工作压力、蓄压器的型号、压力介质的体积、泄漏率(对液压和气动刹车装置而言);

  ——刹车衬料的磨损特性;

  ——刹车衬料和刹车鼓和(或)盘材料副之间动摩擦系数。

  c)除确定所需的刹车力矩之外,还应对功率传递部件(如螺栓连接件、刹车盘、支架等)进行有关计算。

  5.3.14.5联轴器

  为了给风力机的传动装置部件间的安装和运转提供角偏差和轴向运动自由度,在传动装置中要求装有联轴器。

  5.3.14.5.1设计载荷

  a)在联轴器设计和选择联轴器时,应考虑其额定力矩、极端力矩和交变力矩。

  b)设计中通常以风力机在正常稳态条件下出现的最大力矩作为联轴器的额定力矩,要求联轴器能够连续传递此力矩。

  c)非正常运行出现的极端力矩,设计中可以将其作为联轴器的最大力矩(如发电机短路力矩,由于刹车作用而引起的力矩)。但在不损伤联轴器的前提下,也可不要求联轴器具有连续传递此最大力矩的能力。

  d)应预计到风轮在一定环境作用下会使传动机械部件引起交变力矩,设计中需要对此交变力矩的影响进行评估。

  5.3.14.5.2计算

  a)联轴器应按联轴器有关标准进行计算。

  b)所有转动部件在其工作转速范围内应不发生共振或过大的振动。对此,应通过动力学分析加以证实。

  5.3.14.6液压系统

  液压系统主要用于偏航机构、风轮叶片变距等操纵或执行安全系统的功能,如失效状态风轮叶片变距的调整和风轮的刹车等。

  5.3.14.6.1设计要求

  a)液压管路应采用无缝或纵向焊接钢管制成,柔性管路连接部分要求采用合适的高压软管制成。

  螺接管路连接结构组件应通过试验表明能保证所要求的密封和承受工作中出现的动载荷。

  b)液压系统的设计和结构应符合液压系统有关规定要求。

  c)液压系统设计时,应考虑以下因素:

  ——合适的组件(泵、管路、阀、作动筒)尺寸,以保证其所需的时间响应、速度响应和作用力;

  ——工作期间,在液压组件中出现引起疲劳损伤的压力波动;

  ——操纵功能与安全系统功能完全分开;

  ——液压系统应设计成使其在卸压或液压故障情况下处于安全状态;

  ——如果液压作动筒(如风轮刹车和风轮叶片变距装置)只有靠液压压力才能完成其功能,则液压系统应设计成在泵或阀电力供给失效情况下,风力机能够保持安全状态5天;

  ——安装时工作的天气条件的影响(润滑油和液压油粘度、可能的冷却、加温等);

  ——泄漏对完成功能不会产生不利影响。如果出现泄漏,应引起重视并对风力机进行相应控制;

  ——如果作动筒在两个方向产生液压移动,则它们处于“液压加载”状态;

  ——在管路设计中,必须考虑组件可能相互移动,由此使管子承受动载荷。

  5.3.15机舱

  风力机机舱包括底部构架、底板、壁板、框架等,它位于风力机的上方,用于支撑塔架上所有设备和附属部件以及保护增速器、传动装置轴系和发电机等主要设备及附属部件免受风砂、雨雪、冰雹以及盐雾等恶劣环境的直接侵害。

  5.3.15.1设计要求

  5.3.15.1.1机舱要设计成轻巧、美观并尽量带有流线型。设计上要求最好采用重量轻、强度高而又耐腐蚀的材料。底部构架和底板的设计要与整体布置统一考虑,在满足强度和刚度前提下,应力求耐用、紧凑、轻巧。

  5.3.15.1.2机舱底部构架和底板一般经焊接而成。其焊接质量应符合GB/T 12467~12469的规定。焊后还要进行校正、找平等工作,以保证所要求的平面度。

  5.3.15.1.3为了使机舱内大部件维修方便,在机舱后半部下侧必须设置检修孔,检修孔的大小以能吊装底板上最大尺寸的设备为宜。

  5.3.15.1.4机舱结构必须进行防腐设计,以保证其在所规定的外部条件下不出现腐蚀。

  5.3.15.1.5机舱结构的电搭接和闪电防护要求应满足IEC 61400–24的有关要求。

  5.3.15.2设计载荷

  机舱设计载荷按5.3.3~5.3.5有关要求确定。

  5.3.15.3强度计算

  机舱结构强度计算按5.3.6~5.3.11有关要求进行。

  5.3.16塔架和基础

  塔架是支撑机舱及风力机零部件的结构,承受来自风力机各部件的所有载荷,它不仅要有一定的高度,使风力机处于较为理想的位置上运转,而且还应有足够的强度和刚度,以保证在极端风况条件下,不会使风力机倾倒。基础是用来固定塔架于地面上的,分加强混凝土基础和预应力混凝土基础两种。

  5.3.16.1设计要求

  5.3.16.1.1塔架高度的选择

  风力机塔架高度的确定要综合考虑技术与经济两方面的因素,并与其安装的具体位置的地形、地貌有关。塔架的高度被限制在一定的范围之内,其最低高度为:

  5.3.16.1.2塔架的主要形式

  大型风力机塔架的主要结构形式一般采用桁架式、锥筒或圆筒(或棱筒)式。下风向布置的风力机多采用桁架式塔架,它由钢管或角钢焊接而成,其断面为正方形或多边形。圆筒(或棱筒)或锥筒式塔架由钢板卷制(或轧制)焊接而成,其形状为上小下大的几段圆筒(或棱筒)或锥筒。

  5.3.16.1.3塔架基础

  a)基础应有足够的强度,以承受设计所要求的动、静载荷。

  b)基础不应发生明显的、尤其是不均匀的下沉。

  c)基础要用混凝土浇筑。水泥、砂子和碎石的体积比约取1∶2.5∶5。基础的浇筑要与接地网、地脚螺栓以及地锚的预埋同时进行。

  5.3.16.1.4塔架基础的重量除应足以保证风力发电机组稳定外,还要考虑到土壤所承受的压力不能太大,基础的面积不能过小。为防止塔架在5.2.3所规定的风况条件下倾倒,至少应有1.2倍的安全系数。

  5.3.16.1.5塔架及其基础基本尺寸等设计参数的计算按有关规定进行。

  5.3.16.2设计载荷

  风力机塔架设计载荷包括惯性力和重力、气动载荷、运行载荷和其他载荷,其设计载荷计算按

  5.3.3~5.3.5确定。

  5.3.16.3强度计算

  作用在塔架上的载荷包括静载和动载两部分,所以在进行塔架的强度计算时,既要进行静强度计算,还要进行动强度分析和疲劳分析。对于塔架基础,则要进行基础最大压力计算,以确定土壤支承面承载能力、土壤容许的压强并使风力机安装在塔架基础上不会产生下沉。

  5.3.16.3.1塔架静强度计算

  a)塔架静强度计算时,应首先确定危险截面及其截面力。塔架的危险截面一般在塔架的根部。

  b)在确定危险截面力时,一般按照刚体假设进行计算。如果变形使结构的整体稳定性受到影响,或出现最不利的情况,则计算时应考虑所有因素所引起的变形,包括塔架的弹性变形和由于土壤的柔性引起的倾斜等。

  c)塔架的截面力的计算还应考虑动载荷的影响。

  d)塔架静载荷的局部安全系数按5.3.8.1~5.3.8.4的规定。

  5.3.16.3.2塔架的动强度分析

  a)应对包括运动部件在内的所有风力机部件组成的扭转系统进行系统扭转振动特性计算,以确定系统扭转振动固有频率。计算时还应考虑基础和系统阻尼的影响。设计计算的固有频率值应比风轮叶片实际转动频率高20%。

  b)对于因风轮旋转引起振动的情况,应证实塔架(包括基础)的固有频率f0充分远离转动风轮的激励频率fR。

  对于fR/f0≤0.3和fR/f0≥1.4情况,不必考虑动态放大的影响。

  对于0.3<fR/f0<0.95和1.05<fR/f0<1.4情况,应对塔架进行动态分析,其使用的载荷谱应乘以动态放大系数。动态放大系数的确定按有关规定。

  对于0.95≤fR/f0≤1.05,必须对塔架进行动态分析,并在使用期间对其振动进行监控。否则,不允许塔架长期使用。

  c)设计时还应对由阵风引起的沿风向的振动和湍流引起的横向振动加以考虑,其振动研究方法按有关规定。

  5.3.16.3.3塔架的疲劳分析

  必须按5.3.9要求对塔架进行疲劳强度分析,其疲劳载荷应根据5.3.3~5.3.5规定的设计工况和载荷

  情况再考虑由结构横向振动引起的动载荷来确定,通过累积损伤计算进行疲劳验证。钢结构的S–N曲线可由有关手册获得。

  5.3.16.3.4塔架基础的强度计算

  在进行塔架基础的强度计算时,应计算塔架基础的阻力矩和基础的最大压力。应保证塔架基础的阻力矩能抵抗风力发电机组的倾倒力矩,同时保证土壤的允许压力大于基础最大压力。

  5.4控制系统和保护系统

  5.4.1概述

  在方案设计阶段,应在风力机的系统方案框架内建立其运行管理和安全方案,以使系统运行最佳化,并且保证万一发生故障时,仍能使风力发电机组保持在安全状态。

  通常,风力机的运行管理由控制系统执行。其程序逻辑应保证风力机在规定的条件下能有效、安全和可靠地运行。

  风力机的安全方案由保护系统执行。安全方案应考虑像许用超转速度、减速力矩、短路力矩、允许的振动等有关使用值范围以及随机故障、操作失误等不安全因素。

  图11用框图表示了控制系统和保护系统的相互关系。

  5.4.2设计要求

  5.4.2.1安全方案

  5.4.2.1.1单点故障

  风力机不允许出现单点故障:

  a)保护系统及其信号传感器和刹车系统中的单个元器件故障,不允许导致保护系统故障;

  b)两个独立元器件同时故障可归入不可能事件。但在元器件相互关联的场合,两个或两个以上元器件同时发生故障,应归入单点故障;

  c)就其可用性和可靠性而言,保护系统的独立元器件应有最高的技术指标。

  5.4.2.1.2余度

  风力机的重要系统必须考虑适当的余度:

  a)在方案上,保护系统应与控制系统完全分开;

  b)保护系统应至少能启用两套各自完全独立的刹车系统;

  c)在系统工程设计阶段应严格避免“共因故障”。

  5.4.2.2控制系统

  必须借助控制系统对风力机进行控制、调节和监控:

  a)在设计阶段,应建立使风力机能有效、尽可能无故障、低应力水平和安全运行的程序,例如何时发生了故障应直接启动保护系统以及应如何通过控制系统进行处理等;

  b)控制系统应设计成在规定的所有外部条件下都能使风力机保持在正常使用极限内;

  c)控制系统应能检测像超功率、超转速、过热等失常现象,并能随即采取相应措施;

  d)控制系统应从风力机所配置的所有传感器提取信息,并应能控制两套刹车系统;

  e)在保护系统操作刹车系统时,控制系统应自行降至服从地位。

  5.4.2.3保护系统

  风力机保护系统的设计一般要考虑下列要求:

  a)应确定触发保护系统的限制值,使得不超过设计基础的极限值,而且不会对风力机造成危险,但也要使保护系统不会产生对控制系统的不必要干扰;

  b)控制系统的功能应服从保护系统的要求;

  c)保护系统应有较高的优先权,至少应能启用两套刹车系统,一旦由于偏离正常使用值而触发保护系统时,保护系统应立即执行其功能,使风力机保持在安全状态(通常是借助风力机配置的所有刹车系统使风轮减速);

  d)如果保护系统已经启动过,则在每种情况下都要求排故。

  5.4.2.4刹车系统

  刹车系统应设计成既能降低风轮转速,保持其转速低于最大值,又能完全刹住风轮不转而不会引起齿轮箱受损。刹车系统包括需要时都能对风轮刹车起作用的所有零部件(如叶片电距机构)。

  5.4.2.4.1系统要求

  至少应配置两套各自独立的能使风轮减速或使之停车的刹车系统:

  ——运行刹车,指需要时优先由控制系统操作的刹车系统所完成的刹车;

  ——应急刹车,指需要时由保护系统启动的刹车系统所完成的刹车。

  通常,应急刹车只应在运行刹车不能完成其功能时才启用。应急刹车的工作模式应不同于运行刹车。

  每一刹车系统都应能独自保持风轮转速低于最大超转速度(nmax)。这一转速(nmax)应在设计阶段通过分析系统的固有频率和可能的不稳定性予以确定(见图12)。一旦启动了应急停机功能,应至少有一套刹车系统(也可能与第二套刹车系统协同)处在使风轮停车的位置。

  对具有叶片变距控制的风力机,叶片变距机构应视为刹车系统之一。因而必然要考虑:

  ——采用合适的控制装置监控叶片变距机构,如果变距机构不再正确起作用,就关闭风力发电机;

  并且

  ——风轮叶片和变距机构应设计成一旦发生机构断裂或变距液压系统液体泄漏时,叶片就不能产生

  会使风轮加速转动以至超过最大超转速度(nmax)的扭矩。

  可以假定只有当风速达到额定风速(Vr)时才会发生该系统的故障。

  应注意,风轮叶片或许正处在变距位置;在此位置,由于不利的迎角,叶片可能会产生一个超过机械刹车装置最大刹车力矩的扭矩。在这种情况下,刹车不应使风力机有着火危险。

  5.4.2.4.2原理选择

  刹车系统可选择下列型式中的一种型式:如气动型、机械型、电动型、液压或气压型;也可同时采用其中两种或多种型式的工作模式,或由几个子系统构成。

  一般来说,至少应有一套刹车系统是按气动原理工作的,并且应直接作用在风轮上。如果不满足这一要求,则所配备的刹车系统应至少有一套作用在以风轮转速旋转的部件(如轮毂、轮轴)上。超转速度触发信号所要求的测量装置应设置在低转速部件上。

  5.4.2.4.3外部电源

  应急刹车和运行刹车都应设计成当外部电源发生故障时仍能启动它们(由离心力直接触发的叶尖刹车能满足这一要求)。

  5.4.2.5扭矩限制部件

  如果配置限制扭矩的部件,则所配置的任何机械刹车都应设置在扭矩限制装置和风轮轮毂之间。

  5.4.3系统设计

  控制系统和保护系统的设计必须考虑转速、功率和(或)风速、振动等参数的测量以及对故障的监控与处理。这些信息都应汇入控制系统,其中对安全尤为重要的信息则还应输给保护系统(见图11)。

  5.4.3.1转速

  5.4.3.1.1转速测量

  转速信号应由两个独立的传感器分别采集,并应提供给控制系统和保护系统。其中至少有一个转速传感器应直接设置在风轮上。

  如果认为连续监控一个直接与风轮转速有关的参数(如离心力)是否超过限制值就足够了,则可不要求直接测量其转速。对此,一个先决条件就是可靠、安全的测量方法。

  一种按叶尖调节原理工作的、由离心力触发的气动刹车系统不要求直接的转速测量装置,但应将叶尖刹车触发信号提供给保护系统和控制系统。

  5.4.3.1.2转速限制

  定义转速时,必须考虑各零部件的相互影响,尤其是传动链系、塔架和风轮叶片的振动特性(见图12):

  a)工作范围

  工作范围包括风轮从最小工作转速(n1)到最大工作转速(n2)的转速范围,转速在此范围内都属正常运行状态;

  b)临界转速

  临界转速(nA)系指达到时必须立即触发安全系统的转速,临界转速超过最大工作转速(n2)应尽可能小;

  c)最大超转速度

  设计上定义的最大超转速度(nmax)至少应为最大工作转速(n2)的1.25倍。

  5.4.3.1.3转速超出工作范围

  如果风轮转速超出工作范围(即n>n2),则控制系统应使用运行刹车让风轮减速。

  5.4.3.1.4转速超出临界转速

  如果风轮转速超过临界转速(即n>nA),则保护系统应作出响应。

  5.4.3.1.5保护系统触发后的特性

  如果在过分超出临界转速(nA)后保护系统才响应,则任何时候都不应超出最大超转速度(nmax),即使短时超出也不允许。对于气动刹车和随时被触发而起作用的刹车尤其应考虑这一点。

  5.4.3.1.6传感器的使用可靠性

  原则上,转速传感器应满足与刹车装置本身相同的有关功能和可靠性要求。特别是考虑故障后果时,这些传感器在结构上的布置与连接尤应满足这一要求。

  5.4.3.2功率

  5.4.3.2.1功率测量

  通常,应当用电功率(有效功率)作为测量参数。如果风力机的设计方案包括超出规定的过额功率(Pt)的可能性,则应将风轮轴输出的机械功率作为控制参数予以采集。应把功率测量看作是正常运转测量,并作相应处理。可以借助其他物理参数,只要这些参数与功率之间有明确的关系。假如这样,则应在试验阶段通过测量来确定替代参数与功率之间的关系,并以适当的形式(例如以性能图表的形式)加以记录。

  功率测量设备应能采集平均值(大约1~10min的平均值)和短时的功率峰值(扫描速率至少每秒一次)。

  测得的功率与转速合在一起,可看作是整个风力机平均负载的测量。也可以将其用作启动过大风速保护措施的替代测量值。

  5.4.3.2.2功率限制

  通常,功率的定义与限制规定为:

  a)额定输出功率

  额定输出功率(Pr)是指在正常运行状态下从功率曲线得到的风轮轴的最大连续机械功率,达到这一功率时,发电机就产生其额定的电输出;

  b)过额功率

  过额功率(Pt)是指达到时控制系统就将降低功率的风轮轴的机械功率;通常,过额功率(Pt)应不大于额定输出功率(Pr)的1.25倍;

  c)临界功率

  临界功率(Pa)是指达到时必须立即触发保护系统的风轮轴的机械功率,临界功率(Pa)应不大于额定输出功率的1.5倍;

  d)最大功率

  最大功率(Pmax)是指不允许超过的风轮轴的机械功率。

  所谓风力机停机,指的是不再产生功率。

  5.4.3.2.3超出过额功率

  如果瞬时功率超出过额功率(Pt),则控制系统应能自动启动相应的保护措施。此外,风力机实际功率的长时间平均值不应超过额定功率(Pr),以免发电机过热和超载。

  5.4.3.2.4瞬时超过临界功率

  如果瞬时功率超过临界功率(Pa),则保护系统应立即自动启动保护措施。在任何情况下,瞬时功率都不应超过最大功率(Pmax)。

  传感器应能开启相应保护措施的自动启动装置;即使超出功率(Pa)是短时的,也要求能立即开启。

  5.4.3.2.5自动启动

  如果风力机因超出规定的功率而停机,那么,只要设计方案中有相应规定,并且系统中没有故障,就可以无需排故而自动重新启动(由于过高风速导致超出功率Pt可视为一外部事件;如果这一情况不再出现,就假定风力机仍然是可用的)。

  5.4.3.3风速

  通常不要求测量风速。但是,如果风力机的安全运行除了取决于其他因素外还取决于风速,或者风速是控制系统的输入参数之一,则应提供可靠而合适的测量风速的方法。

  5.4.3.3.1风速测量

  如果必须测量风速,则无论通过直接测量风速或者借助于另一个与风速有明确认可关系的参数都能满足要求。原则上,对控制系统输入参数的测量,应选择适当的敏感点和测量技术。可以考虑将轮毂高度处的风速(尽可能无扰动)作为一个相关的测量参数。

  5.4.3.3.2风速限制

  风速的定义与限制规定为:

  a)额定风速

  额定风速(Vr)是指达到时风力发电机组就产生额定输出功率(Pr)的风速;

  b)切出风速

  切出风速(Vout)定义为10min最大平均风速,超过这一风速,风力发电机组就应停机;

  c)短时切出风速

  短时切出风速定义为超过时风力发电机组应立即停机的瞬时风速。

  5.4.3.3.3超过切出风速

  如果已将切出风速(Vout)用作风力机设计的一个基本参数,那么当超过这一限制值时,就应自动启动与5.4.3.2.3一致的相应保护措施。

  5.4.3.3.4超过短时切出风速

  如果切出风速已用作风力机设计的一个基本参数,那么当超过规定的短时切出风速时,就应立即自动启动与5.4.3.2.4一致的相应保护措施。

  5.4.3.3.5自动启动

  如果风力机因超出规定的风速而停机,那么,只要设计方案中有相应规定,并且系统中没有故障,就可以无需排故而自动重新启动(见5.4.3.2.5)。

  5.4.3.4振动

  所谓振动,指的是由不平衡和工作在固有频率附近所导致的风力机的强迫振动。不平衡可以指损伤、失灵(如风轮叶片不对称变距)或其他外部影响(如风轮叶片结冰)。

  5.4.3.4.1振动测量

  应连续地测量振动并将其振幅与限制值作比较。传感器应设置在机舱顶部并偏离塔架轴线。由于感受的振动一般在整个机舱运动时最为明显,所以应使用能感受整个运动的测量设备。如果机舱的运动没有传给塔架,那么也可以采取敏感相关运动的方法作为替代。

  通常,振动监控允许给出有关风力机状态的定性结论。如果发现振动水平过高,则应认为是不正常的运行。

  5.4.3.4.2振动限制

  如果实际测量的振动超过预定的限制值,则保护系统应作出响应。

  如果控制系统连续感受到振动并作出处理,则应查明振动的原因,以便采取措施消除有害的振动;

  也可以由控制系统来控制其振动水平。

  5.4.3.4.3传感器的安全

  传感器的灵敏度应与主要状态相匹配。应有效地保护传感器,以免受到包括未经允许的人员干扰在内的所有外界影响。建议在装置运行时调整其灵敏度。

  5.4.3.5主电网故障

  如果风力机丧失负载(如主电网负载),则风轮转速会迅速加快。这就会危及各零部件(如风轮叶片、传动装置、发电机)的安全。

  5.4.3.5.1发生故障后的操作

  在主电网发生故障后,或者当正以独立模式运行的风力机丧失其负载时,控制系统和保护系统应能检测出这一故障,并使风力机停机。

  5.4.3.5.2恢复后的操作

  考虑主电网故障是一外部事件。因此,一旦主电网能重新加载,风力机就可以由其控制系统自动启动。

  5.4.3.6发电机短路

  风力机应配有适当的短路保护装置(见5.5)。如果保护装置检测出短路,则它们应作出响应,并同时触发保护系统。

  5.4.3.7发电机温度监控

  应监控发电机绕组的温度,以保证发电机温度维持在允许的使用极限内。为此,应选择一个功能可靠、无需维修的自监控测量系统。

  5.4.3.7.1温度限制

  绕组温度的限制值通常按照发电机制造商的资料并根据所采用的绝缘等级予以规定。

  5.4.3.7.2超温后的操作

  如已超过容许的绕组温度,则控制系统应降低其功率输出。尽管超出容许的温度极限只是略微降低发电机的寿命,但实际上,过分超出温度极限会在短时间内导致发电机损坏;超电流或超功率可导致零部件的机械过载及电过载。因此应通过控制装置减轻额定运行值的短时超出;如果超出最大容许限制值,则风力机的保护系统应作出响应。

  5.4.3.8刹车系统的状态

  风力发电机的刹车系统尤其与安全有关。通常,机械刹车系统会遭受严重磨损。为此,工作刹车应尽可能按低磨损或无磨损的原理进行。如果风力机刹车系统的设计允许加剧磨损的可能性(应提醒:不易发现的磨损会导致故障,必要时应作出响应),则应设置对刹车装置的状态监控。

  5.4.3.8.1测量参数

  机械刹车装置的刹车片厚度、刹车间隙以及实现减速或功率吸收的时间(取决于设计)等,都能用作状态监控的相关测量参数。

  5.4.3.8.2安全要求

  如果状态监控是作为故障–安全设计的一种替代而设置的,就应满足与刹车装置本身相同的安全标准(例如,假若监控失效,则刹车应作出响应)。监控设备的响应要便于尽早(在任何情况下,在不再能达到所要求的刹车能力之前)发现渐进的缺陷,以便采取防范措施。

  5.4.3.8.3发现故障后的操作

  如果状态监控显示出工作刹车或应急刹车加剧了磨损或腐蚀,其控制系统就应使风力机停机。对此,应要求操作者写出所发现故障的明晰报告。

  5.4.3.9电缆扭绞

  如果风力机的运行可能导致柔性电缆特别是旋转部件(如机舱)和固定结构部件(如塔架)之间的连接电缆扭绞,就应采取技术措施防止因过度扭绞而损坏这些电缆。

  5.4.3.9.1扭绞测量

  应考虑采用与方向有关的计数或类似程序作为柔性电缆扭绞的合适测量。

  5.4.3.9.2扭绞限制

  对柔性电缆来说,可接受的扭绞角度应由电缆的制造商或供应商确定。

  5.4.3.9.3过度扭绞后的操作

  监控扭绞的设备始终应在达到最大可接受的扭绞角度之前作出响应。

  在风力机设有主动偏航系统的情况下,通过偏航传动装置的适当操作,能自动保证电缆不过分扭绞。

  如果柔性电缆已自动地不扭绞,则无需排故就能重新启动风力机。

  在没有安装主动偏航系统的情况下,应防止在达到最大可接受的扭绞角度之后机舱进一步旋转。应保证风力机处于安全状态。

  5.4.3.10偏航系统

  在机舱设有主动偏航系统的情况下,应保证即使有简单的不正确操作,也不能产生由于计算中未包括的应力而给风力机的完整性带来风险的状态。设有主动偏航系统的机舱传动装置,应能自锁(将弹簧操作的方位刹车与无自锁的传动装置组合可满足这一要求)。在启动之前,应明确建立符合设计的风向(这一点可能具有特别的重要性,例如,在长时间停机之后,假如自停机那一时刻起,风向就转了大约180°,可是已停机的风力机却不随风向转)。

  5.4.3.11频率和电压

  5.4.3.11.1并网运行

  在风力发电机组与主电网并联运行情况下,可假设主电网的频率固定不变。要达到维持满意的并网运行要求,就必须采取特殊的监控和运行管理。

  5.4.3.11.2独立运行

  在风力机以独立模式运行时,其频率常常由风力机自身决定。在考虑单独使用时,应确定其频率是否变化和频率可容许的变化范围。但总的说来,设计不应以短时间内偏差大于±5%或±10%为依据(见5.5表6)。

  5.4.3.12应急停机开关

  作为一种人工干预措施,在机舱内及在控制和调节单元内至少应各设有一个应急停机开关。这些开关应这样布置和设计:既能按其功能要求操作开关,又不会被改作其他用途。

  启用应急停机开关的目的是为了使人员或风力机自身脱离危险。实质上,这意味着保护系统要在尽可能短的时间内使风力机的所有运动都停下来(即在与装置的强度不矛盾的情况下,不是缓慢、而是最快地刹车)。

  应急停机开关启用后的操作,可以与保护系统因过度振动而被触发时的操作相同。应急停机开关接通后应保持在接通位置。

  5.4.3.13机械零部件故障

  机械零部件应按当前的科技水平实施监控。其监控设备应覆盖能用作使用可靠性测量的物理参数(例如传动装置的润滑油压力和温度、轴承温度等)。监控设备应配置到何种程度基本上取决于总体设计方案和强制性的安全标准。超过限制值总是应使控制系统关闭风力机,并且只能在排故以后方可重新启动。在控制系统的设计方案中,风力机的完整性应优先于可用性。

  5.4.3.14控制系统的操作

  运行管理定义为使风力机在预定的条件下运行的程序。如果运行管理由控制系统执行,那么该系统应承担风力机的控制和调节。

  如果控制系统被检测到它已经失去对风力机的控制(如因变距机构卡滞,不能实行所要求的叶片变距),则控制系统应触发保护系统。

  如果设有对控制系统的监视装置(如监视器),而且在24h内其响应多于一次,则也应触发保护系统。

  如果保护系统被触发,则控制系统应贮存其最后运行状态的数据。

  5.5电气系统

  5.5.1概述

  大型风力发电机组一般配置下列低压和高压电气设备以及电气和电子控制设备:

  ——电机;

  ——逆变器;

  ——充电设备和蓄电池(必要时);

  ——开关和保护装置;

  ——电缆和电气安装设备。

  5.5.2设计要求

  5.5.2.1标准

  风力发电机组的电气系统设计与安装应遵循有关的国家标准或行业标准。如果无适用的国家或行业标准,则应以相关的ISO(国际标准化组织)或IEC(国际电工委员会)标准作为基础。所有电气设备和分立器件都应按认可的标准进行设计,这些标准应列在技术文件中。特别应注意采取保护措施以防止直接或间接触及到带电的部件。

  5.5.2.2闪电防护

  应按照相应的国家标准或行业标准或相关的ISO 或IEC 标准提供闪电防护措施。

  5.5.2.3使用条件和环境条件

  所有电气元器件和零部件都应按照安装部位上预期的使用条件和环境条件进行设计:

  a)如果没有可用的安装部位的具体数据,则应从本标准5.2中获取环境温度和其他环境条件;

  b)应按照有关标准提供防雨、防潮和防尘保护;

  c)对设备的保护等级应由所安装的配置状态保证,而不管风力发电机组的使用状态。

  5.5.2.4并网运行

  并网运行的风力发电机组需要取得有关电网主管部门的批准,并满足并网运行技术要求。

  5.5.2.5独立运行

  在独立运行的使用条件下,当缺少具体数据时,应采取表6中给出的标准值。当独立运行时,在额定速度下,一台发电机在空载和满载之间的电压偏差为±2.5%是容许的(偏离本条也是容许的,只要所连接的客户适应)。电池充电运行时的电压条件,也适用于供直流充电用的发电机。

  5.5.3系统设计

  5.5.3.1电机

  5.5.3.1.1材料

  电机的结构材料应适应预期的环境条件:

  a)应特别注意海上大气腐蚀影响:如果有足够的涂层或镀层保护,也可以使用不适合海上大气环境的材料。

  b)如果机匣、接线盒和风扇叶轮使用塑料,则应优先采用适合低温的材料。

  5.5.3.1.2通风和冷却

  风力机的电机应优先设计成表面冷却的全密封型式。功率输出超过50kW的电机应设置排水口,以防冷凝液积聚。

  如果吸入的空气不含湿汽、油雾和灰尘,则也可使用抽、吸式通风机。

  5.5.3.1.3轴承

  应优先使用预应力滚动轴承。

  5.5.3.1.4绕组

  电机连同所配置的保护装置一起,应能承受万一发生短路时预期的热应力和动应力。电机应设计成在连续运行过程中,不会超过其绝缘等级所容许的超温温度。

  为监控绕组的温度极限,应使用象热敏电阻或等效传感器这类装置。双金属片式过流继电器不适用。

  5.5.3.1.5工作周期

  发电机应按连续运转(带恒定负载且时间长到足以达到热平衡的运转)设计。作为辅助传动的电动机应按预期的运行时间设计。

  5.5.3.2逆变器

  逆变器应设计成使产生的谐波不影响所连电气设备的功能,并且不超过并网运行所允许的电压。容许的极限值应与相关电网一致。容许的谐波失真系数可取10%作为基准值。应注意电磁兼容设计。

  5.5.3.2.1电子部件

  逆变器的电子部件应置于独立的机柜中。部件各单元应易于接近,以利于测量和修理。为便于运行检查和查找故障,建议设置模拟电路、测试插孔、控制灯等。应尽可能使所有器件与其他带电部件绝缘。

  信号线和控制线应同电源线在电气上隔离。

  应优先采用自然通风的逆变器。如果采用风扇冷却装置,应优先采用吸气风扇,并建议配置空气过滤器;而且,应监控强迫冷却的功能,对故障应有提示,以防过热。如能证明其足够的可靠性,则也可使用液体冷却。

  5.5.3.2.2保护设备

  应保护静止变换器所有部件,以防止过载和短路;万一发生故障时,不应损坏半导体元件。装置的保护可以采用保险丝、电路断路器或让控制系统介入。

  保护设备应保证一旦断路时,储存在元器件和负载电路中的能量不会产生破坏效应,万一主要器件发生故障,能使风力机按受控的方式停机,并且尽可能有选择地关闭受损的子系统。

  对过压和过流保护设备,宜设自测试装置。

  5.5.3.3充电设备和蓄电池

  充电设备和蓄电池用于保护系统的应急电源。

  5.5.3.3.1充电设备

  蓄电池充电设备应这样设计和调节:

  a)应能接受来自风力机的不规则电能和可能的电压与频率漂移;

  b)应采用调节措施防止蓄电池过充电,如有必要,也可采用能接通的泄电负载;

  c)如在充电进程中还要向客户供电,则最大充电电压不应高出蓄电池额定电压20%;

  d)即使在升压充电期间,也不超过每节电池容许的电压;

  e)在充电设备输入端和输出端都应有自己的短路和过流保护设备,并应有一个监控其运行的系统;

  f)要监控充电过程,必需下列控制设备:

  ——指示输入电压的信号灯;

  ——指示充电电压的伏特表;

  ——指示充电电流的安培表;

  ——在万一自动切换到泄电负载时,必须有符合每一独特情况的附加指示。

  5.5.3.3.2蓄电池

  风力机配置的蓄电池应允许足够次数的充电–放电循环。蓄电池的壳体应能耐电解液、矿物油和洗涤剂,并且能耐海上大气的腐蚀。

  5.5.3.3.3安装和使用

  蓄电池的安装和使用设计应注意:

  a)蓄电池应安装在通风良好的房间、机柜或机匣中;

  b)应遵循有关蓄电池的国家或行业标准或等效的ISO或IEC标准;

  c)蓄电池的安装应便于更换电池、检验、充液和清洗时易于接近;

  d)铅酸性蓄电池和碱性蓄电池不应安装在同一房间内,并且应各自设置独立的通风系统;

  e)蓄电池的安装或掩护应保证能有效防止滴水、污物和坠落物进入;

  f)在蓄电池间入口处和蓄电池壳体上应设有指示爆炸危险的警告信息,应提请注意绕蓄电池间和蓄电池壳体的通风口和排气孔四周0.5m范围内有爆炸危险这一事实;

  g)为避免电火花,设计应考虑在连接或者断开蓄电池之前都应先断开电路。

  5.5.3.4保护开关和保护设备

  应保护电气装置的所有器件,以防过载和短路。如果发生过流或短路,应可靠地触发保护设备,以避免风力发电机组各器件的任何热过载或电过载。保护设备和保护开关的选择应保证在跳闸后,利用断路器或更换保险丝就能立即再次接通。开关的“接通–断开”位置应易于识别。在使用按钮的情况下,应配置表明开关已接通的指示灯或等效显示器。

  5.5.3.4.1短路和过载保护

  必须注意电气系统的短路和过载保护设计:

  a)每一电路断路器的断开能力不应小于安装点预期的短路电流,电路断路器的闭合能力不应小于安装点可能产生的最大非短路电流,制造商应说明开关装置的闭合和断开能力并载入其产品说明书;

  b)闭合和断开能力不足的保护开关,可与适当额定值的备用保险丝配合使用;

  c)每一不接地的导线,均应有短路保护;

  d)在不接地的双线直流和交流电路中,至少应有一根线设有过载保护;

  e)在带平衡负载的不接地三相系统中,至少应有两根线设有过载保护;

  f)蓄电池系统不接地的每一根线,都应配置短路和过载保护,短路保护应靠近蓄电池;

  g)过载和短路保护装置的选择应以电缆或电路的额定电流以及安装点预期的短路电流为依据,在与公共电网并联运行的情况下,必须协同有关主管部门进行短路情况分析;

  h)无论其额定值如何,每一电动机都应通过适当的短路保护装置加以保护;

  i)对于额定输出大于1kW的辅助传动装置的电动机,建议用适当的过流保护装置,为此,可依据被保护的电动机状态,配置双金属片继电器、热敏电阻或其他带跳开装置的温度传感器;

  j)对于动力线路电气设备的运行和保护,可按下列配置状态提供:

  ——电路断路器或集短路和过载保护于一体的电动机保护开关;

  ——保险丝连同开关;

  ——保险丝、开关、断路器;

  ——保险丝连同接触器;

  ——电路断路器和(或)电动机保护开关连同接触器;

  ——电路断路器和(或)接触器组合。

  5.5.3.4.2控制电路

  一般说来,控制电路应配置最大值达10A的独立的短路保护。控制电路和负载电路共用保险丝保护也是容许的,只要共用的电源保险丝为最大值10A就行。

  如果控制电路中的接触器是按小电流设计的,则串联的保险丝必须与容许的电流值一致。

  5.5.3.4.3测量和指示电路

  通常,测量和指示装置都应配有它们自身独立的保险丝保护的电路。

  建议指示灯和控制灯用各自串联的保险丝,使得一个指示灯短路不会影响整个系统。如果使用带有防短路变压器的指示灯,或工作电压小于30V,则也允许偏离本条文。

  5.5.3.4.4接地故障检测和监控

  对于跟公共电网无关联的不接地系统,建议采用一个接地故障检测器或监控器,以指示系统的绝缘电阻值或者允许检查这个值。

  5.5.3.4.5保护开关的设计和额定值确定

  负载接入开关的额定值至少应定为串联保险丝的电流额定值。间距和漏电距离的选择应遵循表7中的基准值。

  建议对机柜内部的电线用多芯导线。对工作电压为220/380/440V的绝缘,应规定额定值750V。对电压为24V的系统,绝缘额定值取250V就够了。数据处理和通讯线路的电线不受上述基准值影响,而应按有关要求进行设计。

  5.5.3.4.6开关板和机柜

  设计开关板、盘箱和机柜时应考虑:

  a)安装在开关板和机柜内的所有单元在维护、修理或更换时应易于接近;

  b)端子与端子的间隙应标定足够的尺寸。端子离带电部件应有足够的间距,以保证安全运行;

  c)对开关板或机柜门上的电压在50V以上的带电单元,应有防止偶然触电的保护;

  d)所有电线和接头应有防备振动应力的安全保险,M4以下的小螺钉可用油漆锁固;

  e)应保护所有电线和绝缘的带电元器件,防止擦破或割穿绝缘层(这一点尤其适用于有锐边的通孔及拐角处);

  f)应通过接地端子或接地棒设置保护性接地,对接地端子应加以清晰的标记;

  g)导线端子应有防止导线被挤出的挡片,或者导线配上保护性套管,或其他等效保护;

  h)建议在电缆和电线的所有引入和引出端都打上永久标性记;

  i)所有仪器、仪表和执行元件都应按对应的电路图打上永久性标记;

  j)应标明保险丝的额定电流值,应在电路图上注明可调节的保护设备的调整值,并在装置上打上永久性标记;

  k)应采用指示灯、测量仪表或等效显示器以指示系统是否有电(显示器的个数可依系统的型别而定)。

  5.5.3.4.7同步装置和软并网设备

  并网运行的风力发电机组应按主电管理部门提出的要求配置同步或软并网设备,以允许平滑地接到电网上。

  5.5.3.5电缆和电气安装设备

  5.5.3.5.1电缆和电线的选择

  选择和使用电缆和电线时应注意:

  a)电缆和电线的选用应遵循有关的国家或行业标准或等效ISO 或IEC 标准,也可以使用其他的电缆和电线,只要它们的材料和结构遵循等效标准并且提供了其适用性的证据;

  b)电缆和电线应根据安装位置的环境条件进行选择,在电缆和电线敷设在露天的情况下,应保证能抗紫外线,并应考虑特殊的机械要求,如操作上所要求的机动性、拉伸应力及机械损伤加剧的风险等;

  c)电缆和电线的电压不可低于所含电路的工作电压,对于有可变电压的电路,则不可低于其工作时所出现的最大电压;

  d)通常,不管其机动性要求如何,都建议使用含几股或多股导线的电缆和电线;

  e)应在技术文件中说明所使用的电缆和(或)电线及其标准名称,并且应列入导线的横截面积和额定电流。

  5.5.3.5.2电缆和电线的加载、保护和敷设

  在进行电缆和电线的加载、敷设和保护设计时应考虑:

  a)应保护电缆和电线以防短路和过流。如果在设备的电路中已经设置了过流保护,则还应加上短路保护。应按照安装点短路加载进行设计;

  b)绝缘的铜导线所允许的负载电流和过流保护装置的配置应遵循相关的国家或行业标准或等效的ISO或IEC标准;

  c)对于电缆和电线的额定值,在考虑所连接电气单元的工作状态时,应认为运行期间所预期的负载与客户的需求一致。应将确定发电机和客户配电板额定值的数值作为基础;

  d)每一自含过流和短路保护的电路一般应有自己的电缆。只要按照有关的国家或行业标准或等效的ISO或IEC标准,就可将这些电路集中接在一根公共电缆或电线上;

  e)对有保护性的低压电路,应遵循有关的国家或行业标准或等效的ISO或IEC标准;

  f)对交流和三相系统,应使用多芯电缆或电线。如果用单芯电缆代替,则应遵循下列要求:

  ——电缆不应用磁性材料铠装或屏蔽;

  ——应提供非磁性线夹;

  ——指定电路的电缆应邻近敷设,并且布置在同一导管或电缆套管中;

  ——单芯并联电缆应有相同的长度和截面积;

  g)对在运行时易扭绞的电缆和电线,应配置保护电缆的控制装置,以防止电缆超过允许的扭绞极限。防扭保护装置应设计成在运行期间能复位到中立位置(见5.4.3.9);

  h)电缆和电线应固定牢靠,使得不会产生不可接受的拉伸、弯曲、压缩或压皱应力。对于户外安装,应使用抗腐或有永久性防腐保护的线夹或支架;

  i)如果电缆和电线敷设在金属导管或套管内,则应采取有效的接地;

  j)导管内侧应光滑,两端应加以保护,使得不会损伤电缆护套;

  k)通常,导管内敷设的电缆截面积不应超过导管截面积的40%。如果电缆穿过毫不困难,且无不可接受的电缆相互加热,则偏离这一要求也是容许的,但电缆与导管截面积之比不允许超过60%;

  l)在有机械损伤风险的场合,电缆和电线应采用护罩加以有效保护;

  m)应考虑外露电缆受结冰加载的可能性,并验证所用电缆型号的适用性;

  n)应适当地保护悬空电缆,以防电缆护套遭受损伤及不可接受的压缩;

  o)通常,金属的电缆护套、铠装和屏蔽套应两端都接地,也就是要接到风力机的金属结构上。至于电子系统的电缆和电线,单端接地是可接受的。在每个连接点和配电箱内,必须确保金属电缆护套有连续的电连接。

  5.6装配和安装

  5.6.1概述

  风力发电机组的制造商应提供一套详细说明其设备安装要求的手册。

  对没有机舱的塔架,应采取适当措施以避免由旋风形成的临界风速引起横向振动。在安装手册中应包括临界风速和预防措施。

  5.6.2设计要求

  a)风力发电机组的制造商应提供风力发电机组组装、安装和吊装的图样、规范和说明书。制造商还应提供所有载荷、重量、吊挂支点以及风力发电机组装卸与安装的专用工具和工序要求的详细说明。

  b)制造商关于吊装和装卸的说明书和文件应提供零部件和(或)组件预期的载荷及安全吊挂支点的资料。

  c)制造商应提供风力发电机组的装配说明书。在完成装配后应进行必要的检验,以确认所有的零部件都有适当的润滑,并要进行试运行调整。

  d)风力发电机组的制造商应提供安装螺纹紧固件的推荐扭矩及安装其他连接件的说明。

  5.7噪声

  5.7.1概述

  当风力机运转后,不仅产生功率,而且还同时产生噪声,功率和噪声的大小取决于当时的风速,随着风速增加环境噪声水平提高。根据环境保护法,要确定所产生的噪声对环境的有害影响。

  按照噪声抑制的现代技术水平,应对风力机设置降噪和(或)防护措施,并验证降噪和(或)防护措施的有效性,使其产生的环境噪声不超过安装场地周围可接受的噪声水平。

  风力机产生的噪声主要由空气动力的噪声和机械噪声两部分组成。

  5.7.2噪声的控制

  应根据有关的标准,采用适用的噪声控制工程方法来降低风力机噪声水平。对风轮叶片产生的噪声,应通过采用诸如降低叶片载荷、减小叶尖速度以及选用特殊几何形状的叶尖设计技术,而使风轮叶片产生的气动噪声最小。对风力机产生的机械噪声,应采用合理的设计和润滑,选用噪声小的设备和组件,来降低其机械噪声。

  5.7.3噪声的测量

  5.7.3.1基本假设

  风力机通常是露天安装,产生的噪声通过空气向四周辐射,辐射噪声的特性值是声能级,根据有关机械设备标准,通常应通过在声源周围一个封闭的包容面上测量来确定声能级。

  假设声音朝空间每个方向传播,因而所用的封闭面必定是一个中心在声源处的球,风力机被视为一个高于地面的空间声源。

  5.7.3.2测量程序和评估

  风力机的噪声测量和评估按IEC 61400–11的规定进行。

  5.8交付、使用和维修

  5.8.1概述

  应在考虑人员安全的前提下编制交付、使用、检查和维修程序,并在风力发电机组说明书和手册中予以规定。设计应考虑备有对所有零部件进行检查和维修的安全通道。

  5.8.2设计要求

  5.8.2.1交付

  制造商应提供进行交付与验收的推荐程序。

  5.8.2.1.1通电

  制造商的使用说明书应包括风力发电机组电气系统初始通电的程序。

  5.8.2.1.2交付试验

  风力发电机组在安装后应进行试验,以确认所有的装置、控制器件和设备能正确、安全、可靠地运行;试验应按推荐的程序进行。试验应包括(但不限于)下列内容:

  ——启动;

  ——停机;

  ——从超速状态或其他有代表性的模拟状态下停机;

  ——保护系统功能试验。

  5.8.2.1.3记录

  应保留试验、交付、控制参数及其结果的各种记录。

  5.8.2.1.4交付后的工作

  在完成安装及制造商推荐的初始运转周期后,还应进行再次拧紧紧固件、更换润滑油、检查其他零部件以及适当调整控制参数等特定工作。风力发电机组的现场也应进行必要的修整,以消除可能的危险因素,并应防止风化或腐蚀。

  5.8.2.2使用

  操作人员对风力发电机组的正常操作应能在地面进行。对于自动或遥控的控制系统,应提供有明确标记的地面人工遥控手柄。

  使用说明书应由风力发电机组的制造商提供;必要时,应根据交付时的本地特殊条件进行增减。使用说明书的格式和内容应符合GB 9969.1的规定;在说明书正文中必须编排有关安全的注释和防范意外事故的规则,并应将其版面排在相关操作的前面,其意图应一目了然。

  使用说明书的材料(包括纸张、塑料膜)应适合在操作风力发电机组的各种条件下使用,这一点对于直接粘贴在该装置上的各种说明尤其适用。

  使用手册一般包括产品介绍、用户须知、排故指南等内容。

  a)产品介绍:

  ——制造商、供应商、进口商;

  ——产品名称、型号;

  ——制造商号或系列号、制造年份;

  ——风轮直径、轮毂高度;

  ——额定输出功率、风轮转速、发电机转速、发电机型号;

  ——叶片安装角、风轮锥度角、仰角;

  ——切入风速、额定风速、切出风速;

  ——风轮叶片数据;

  ——偏转系统型号等。

  b)用户须知:

  ——控制系统说明;

  ——启动和停机程序;

  ——故障信息说明(仅就提供的信息而言);

  ——紧急停机程序;

  ——安全措施、事故防范规则;

  ——所有操作和指示器件(如开关、按钮、灯泡、测试仪表)的功能和操作方法说明;

  ——功能故障及如何排故的说明;

  ——根据季节性或其他因素投入或退出使用所必需的部件与功能的说明。

  c)排故指南

  排故指南应尽可能让操作人员在自身未作任何修理的情况下能辨识故障的原因;当不能通过某一操作简单地将故障排除时,应给维修人员提供有用的前导信息。

  5.8.2.3检查和维修

  维修手册应规定检查和维修的时间间隔。

  对于为防止人员偶然接触运动部件而设计的保护装置,除了预料会有频繁进出的场合可设计成活动的以外,都应加以固定。这类保护装置的设计应考虑结构坚固,在可能的场合,无需拆卸它就应能进行基本的维修作业。

  设计还应考虑备有使用故障诊断设备的接口。

  5.8.2.3.1维修安全

  为了保证检查和维修人员的安全,还应考虑下列维修安全设计:

  ——用于检查和例行维修的安全通道和作业平台;

  ——用于防止人员偶然接触旋转或运动零部件的适当手段;

  ——准备攀高或在地面以上作业时使用的救生索、安全带或其他经批准的保护装置;

  ——维护时阻止风轮和偏航机构转动及其他机械运动的措施以及安全解锁的措施;

  ——带电导体的警告标志;

  ——释放沉积电荷的相应装置;

  ——便携式灭火器;

  ——机舱备用撤离出口。

  维修程序应要求为进入任何封闭式作业空间(如轮毂或叶片内部)的人员提供安全防护,保证万一发生任何紧急情况时,能立刻得知他们的处境,并为他们提供救援。

  5.8.2.3.2锁定装置

  风力机应配置必要的锁定装置,或各自对风轮和机舱等效的锁定机构,其功能就是在停机时将已经不转的风轮锁住,或防止机舱转动。这类锁定装置一般不必自动触发(即不要求在达到静止时自动锁合)。

  通常,不可把刹车设备同时也看作是所要求的锁定装置。

  对锁定装置的使用安全、质量、可达性以及与被锁住的风力机各部件(如风轮叶片、轮毂、轴)的啮合,应有较高要求:

  a)锁定装置应设计成,即使刹车装置松开,它们仍能安全的防止风轮或机舱的任何转动。

  b)风轮锁的布置应便于对轮毂附近的传动链系起作用(用钢索将风轮叶片绑在塔架或其他结构上是不可取的),设计应以风力机静止时风轮能传给传动系统的最大扭矩为基础。

  c)机舱锁应能阻止机舱的偏转运动。

  d)如果要在正在运转的风力机部件上作业,就总要启用锁定装置;即使使用能减慢风轮转速直到静止的刹车或可能配置的方位刹车能使该装置保持不转,也应启用锁定装置。应明显提醒操作人员注意这一安全措施。在使用手册中应加入相应的警示。

  5.8.2.3.3维修手册

  每台风力发电机组都应有一套维修手册,维修手册至少包括风力发电机组的维修要求和应急程序。

  该手册还应提供非计划维修的内容。在一套维修手册中,最实用的是以表格的形式按照时间顺序列出所要求的维修工作。

  编制维修手册时一般应考虑以下方面:

  ——描述维修手册与风力发电机组之间对应关系的技术数据(同使用手册);

  ——有关安全和事故防范措施的说明,例如攀高用的安全带和安全绳的使用等;

  ——在定期维修期间进行的所有操作的说明,这些说明可以用适当的图示作补充,各种维修操作的目的必须表示清楚(如加油量、螺纹拧紧力矩、刹车调整、液压油压力等);

  ——规定的维修、保养、润滑间隔期;

  ——所供应的备件和辅助材料(如润滑剂)牌号和数量的资料(如备件清单),并应区分出易损件及指明更换准则;

  ——保护系统、电气系统的重要数据和功能检查程序,完整的布线图和内部接线图,野外装配和安装所用的调整图;

  ——故障诊断程序和排故指南;

  ——工具清单等。

  此外,维修手册还应满足与使用手册相同的语言及格式要求。

  6使用说明

  6.1本标准各章条文构成了标准的完整内容,因此,在使用时应研究各章的关系,做到完整地应用,以避免片面性和出现差错。

  6.2本标准是通用性的,对具体型号风力发电机组设计,应根据其特征和要求,由制造商和订购方协商增减本标准的条文,并在有关文件中说明。


關閉窗口
中国电工技术学会 | 中国电机工程学会 | 中国科学技术协会 | 中国风能协会 | 国家发改委 | 国家能源局 | 国家环境保护部 | 国家电网有限公司 | 中国大唐集团新能源股份有限公司 | 中国华能集团有限公司 | 中国大唐集团有限公司 | 中国华电集团有限公司 | 华北电力大学

高校学院网站  版权所有