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CWPE2019:維諦技術趙岷:風能變流器的安全設計_東方風力發電網
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CWPE2019:維諦技術趙岷:風能變流器的安全設計

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-28   來源:東方風力發電網  瀏覽次數:217
核心提示:2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。維諦技術有限公司(原艾默生網絡能源)研發總監趙岷在會上為大家帶來了題為《風能變流器的安全設計》的精彩演講。
   2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。維諦技術有限公司(原艾默生網絡能源)研發總監趙岷在會上為大家帶來了題為《風能變流器的安全設計》的精彩演講。


 
  以下為演講實錄:
 
  我今天介紹的是變流器的安全設計。
 
  安全這個事情我想大家每個人都不必要否認它的重要性,如果說到人生安全和重大的財產安全,每個企業受不了,我們每年都有安全教育,每年都會發很恐怖的安全圖片,直到有一次市場銷售的發了一個特別要命的圖片,一個著火的風機上面還有人。我就不干了,我說兄弟你發圖片謹慎一些,銷售除了新員工入職實習一段時間,其他的都是在跟客戶談,我研發這邊是要上風機的,而我服務的同事更要上去的,你這個圖片發得太過分了,他說是是。但是他說我發的圖片給大家造成的思想上的沖擊,還是有利于我們在安全上的重視。
 
  安全這方面其實也就是三個層面:第一個是安全制度和流程,這個我認為它是最重要的;第二個是我今天要講的產品安全設計;第三個是個人防護措施。這三個相互互有聯系,也相互各有自己的體系,每一個都不能互相地代替,不能說我今天講了產品安全設計,就說這個非常非常重要,可以凌駕于其他之間,這也不是這樣的,我今天所講的產品安全設計,主要是發現問題、解決問題、驗證問題,主要的思路在這里,一個是應用需求的分析,在安全方面、在產品方面我們有哪些需求。那么大部分的需求會歸納為產品標準,比如說安全方面的話,1860的,比如說62477,明年強制地切入到變流器的標準了,標準清晰了以后我們就要實現標準中的要求。這就是今天我要重點所講的,就是產品實現的部分,還有是實驗驗證,做完以后你這個設計和最終的結果是不是一致的,不要搞得理想很豐滿、現實很骨干,這也是不對的,最后是問題反饋和閉環,實驗驗證和差異,然后要總結出來,回過頭來要重新分析,看看有沒有改進的空間。
 
  今天講三個部分:三個設計即三個實驗。一個是短路耐受,一個是燃弧,另外是變流器內部的局部防護。
 
  短路耐受,這是62477的要求。主電流、主回路短路了,看看你機器整個的表現。主電路和回路短路會產生兩個負面,一個是熱應力,第二個是電動應力。熱應力對于變流器的結構件來講問題不是很大這個短路整個的標準要求是60毫秒,但是客戶要求有長有短,不會低于60毫秒,再長不超過300毫秒,這是低壓繼電器的保護決定的。這么短的毫秒時間內,基礎部件的溫升是比較可控的,所以這不是太大的問題。比較大的問題是電動應力,大電流流過的過程中,對于結構件產生的比較大的力量,導致結構件的支撐件損壞,就是我們所說的絕緣端子,還有導體自身的損害,這是它的后果。那么怎樣解決這個問題呢?我們整個的設計思路是這樣的,一個是原始設計模型,就是整個的變流器設計是怎樣開始設計的。然后在計算的過程中,必須要進行簡化,要不然的話計算能量會非常大,簡化完了以后會計算短路電流,根據短路電流再算出來電動力。而電動力得到以后就可以進行力學校核,根據原始設計進行力學校核。力學校核通過以后最后就是實驗驗證得到報告,整個的思路來說是這樣的一個情況。
 
  怎樣進行電流/電動力計算,這個計算過程我們看了短路電流的標準,在我所列的這兩個標準是有非常詳細的闡述的,大家有清楚可以翻標準。那么下來的計算第一個是設定系統中的短路點,你說主功率、主回路是有哪些,哪些會發生短路?下面的圖紙是一個燒廢的例子。短路點兩個方面,一個是在網側,一個是在電機的定子側,全功率可能更簡單一些。確定了短路點,還要搞清楚分析幾個具體的事情,一個是不同類型的短路,這就三項全短,不同地點的短路和不同方向的貢獻。一個點短路的話有哪些源會為這些短路點實現持續的電流,這就是多少可以考慮清楚的。確定了這些參數以后,下面要確定具體的參數這個也可以現成的資料查閱,一些阻抗、感抗,還有器件的阻抗,這是主功率器件的選擇還有其他的影響因素。最后我們計算短路電流,計算的時候一個特別注意的地方是AC和DC是分開計算的,兩個都有影響的。只不過短路以后一部分時間的DC消除,但是機械應力的時候,往往是短路的那一下受到的機械應力最大,所以一定要考慮到DC。
 
  這個就是計算出來短路電流,第二部分是計算電動力,這個公式是教科書的,像材料力學基本的一些公式,只不過將它公式化了。我們看到三相短路是由這些因素造成,平方關系、相間三相的距離是呈反比的,還有母線絕緣子跨矩是呈正比的。從公式里面我想闡述的是怎樣設計我的母牌以及我的支撐件。那么得到了定應力,進行力學校核,就建立力學模型,還是要把剛才的簡化掉,還有是支撐件強度校核,就是絕緣端子,還有導體剛度校核,這個整個來說的話得到的量就是這些,像導體的話一個是正向受力,一個是扭矩,計算出來和總結設計要點,這個和公式是緊密相關的。首先是短路電流要盡量小,這個也不是變流器自行決定的。然后三相之間銅牌的距離要盡量放長一點,這是受到體積的限制。還有一個是在三相銅牌的受力盡量側面受力,而不是正面,這樣防止彎曲。還有一個是銅牌上的絕緣端子和跨矩不能太遠,盡量放密一點。這樣的話對于短路耐受就會有很好的幫助。
 
  那么我們看看實驗驗證的情況,實驗驗證的話就是短路前我們可以看到接受器的上端銅牌短死,短路打開以后看看里面的結構件是否異常、是否有變化,然后短路以后機器是否還能重新工作,這是實驗的要點。我們這個實驗定的是130毫秒的短路,就是將斷路器的保護全部去掉,通過外部的試驗設備、能量慣入時間來做控制。
 
  第二個是燃弧,燃弧和短路是有相似之處,就是相間短路之類的。但是燃弧解決的思路是類似的,但是稍微麻煩一點。其實燃弧的話有兩個因素,一個是內部的過壓力,燃弧的時候我們計算過,如果是31.5千安的電流在我們這不算小的,大概會有10個大氣壓出來。另外是局部過熱是一個熱效應及會有炙熱氣體和粒子,防止他們對周邊的器件和人員的傷害,整個的計算原理和短路耐受是類似的,但是和短路耐受要麻煩一點,基本上是計算電力、壓力然后消散結構件。為什么我說麻煩呢?它的防護是兩種:一個是被動防護,這很簡單,就是使勁地強化外伸機會,你再怎么打的壓力我就壓住,如果你是10個,我就是12個。但是大家知道大禹治水堵不如疏。其實我們強化主動防護,幾個方向,一個是泄放方向,不能隨意泄放。還有位置安排,原則是你泄放的口盡量和你發生短路燃弧的區域要近,太遠的話你泄放的效果肯定不好,但是近的話也要注意一個問題,就是它的熱會不會對這個泄放口產生傷害,也不能太近了直接把熱熔掉了,也是有問題的,還有可恢復性。泄放口泄放完了以后,你這個消失了不破壞防護等級。燃弧之所以麻煩一些,它和剛才的短路耐受不一樣,短路耐受沒有把握的話可以死硬地強化結構件,強化各個方面的銅牌支撐等。但是短路耐受過于強化還達不到泄放的目的,所以這是取一個權衡的做法。
 
  我們來看看燃弧的實驗,燃弧很重要的一點是,中間的圖片是準備圖片,也就是說你看金屬方格上黑色部分都是放的易燃物質,看你噴出來熱的東西是否會點燃易燃物質。然后這個是實驗考評,我沒有放錄像,就是短的瞬間一下煙霧繚繞。在這個層面來講,最右邊是機柜內部,但是右邊的不重要,在這個實驗里面它是不重要的,短路耐受是很重要的。你要看實驗后,實驗的后果看外面,這些易燃物是不是點燃了,然后你的泄放的區域是否合理,是實驗過程和外部的器件,內部是不重要的,所以以上是我們的測試報告。這兩個的話其實是有相似的地方,短路耐受和燃弧,這也是涉及到安全方面的設計。
 
  最后變流器內部局部防護這是一個彩蛋,為什么這樣說?因為它沒有任何的標準來規定內部的防護等級,尤其是我們這種設計源頭的話沒有規定。這個是什么意思呢?這是去年2018年N149,這就是Delta4000平臺的調試平臺,最佳3WM的金獎,這個都是我們供的。臨時簡單插一個,昨天王經理說隨功率越來越大,電纜的問題,他提出了三個解決方案,一個是3300的中壓解決方案,一個是140的低壓分電頻解決方案,這兩個方案有較好的論述我不多說,另外一個是將箱變放到機艙上,這個方案沒有過多地闡述,實際上這個機器的話就是把箱變放上面的,變流器在機艙最后面,旁邊是690對10千伏的箱變,然后這樣非常省電,對于游纜的要求很低了。現在之所以變流器和箱變沒上去,說了各種各樣的因素我都覺得很有道理,包括我們的重量的增加,引起的吊裝難度,吊裝要多一個鉤。但是這一點我覺得是可以克服的,如果說機艙設計緊湊一些還是可以解決這些問題的,重量沒增加多少,變速器和箱變相對其他的還是可以接受的。還有我們路上風機的交互界面,它是整機廠交,業主自己配,這些都是可以商量的,包括我們和其他的客戶做非變流的機會,如果真的是解決有纜的問題,還有電纜降很多,為什么不能把箱變放上去,如果35千伏降下來電纜就放很少了,如果是140就緩解了這個問題,減了1/3,但是還不如35千伏直接下來,這是我個人的建議。
 
  原來的是做局部的IP40防護,我解釋一下,整個的機會我們一般是做IP54,路上做控制柜和并網柜做IP23的防護,但是怎樣冒出來IP40的防護呢?它是在柜內做防護,不管是IP54還是IP23,我在柜內再做一層IP40的防護,我們為什么要做IP40的防護呢?不是規定所有的區域內都做IP防護,而是變流器和箱變之間做IP40防護,它最大的意義在什么?在于可以不斷開箱變的情況下,對變流器做整機維護是可以的,因為我斷開斷路器,斷路器的后端沒電了,再把US一關全沒電了,變流器的前端到箱變是IP40防護,這個還是挺有意思的,無論是在國內還是海外斷箱變是相當麻煩的事情,因為它確實涉及到安全的問題。我問過服務的同時讓業主斷箱變是要走復雜的流程的。另外是和前面相關的,大大降低了防護區的這種拉弧的概率,提高了產品的安全性。
 
  我們可以看到這種IP40,0就不用說了,IP4是什么意思?防止直徑不小于1毫米的固體物不得進入,什么意思?任何身體的部位和區域都不可能進入這樣的區域,這樣的防護做好了是不存在這種人身觸電的傷害的。那么怎么做呢?是有三種方式:第一個是整體區域的IP防護,第二個是分塊區域,第三個是器件級別的防護,總而言之要把這塊做出來。
 
  我們看看整體區域的IP防護其實很簡單,就是做個柜中柜,這個畫綠色的部分全部是IP40的殼體保護起來這就OK了,沒問題,但是好處是簡單粗暴,壞處是1毫米的這種孔在機器內部即使是IP54的防護能量也是有風噪的,你會極強增強風阻,散熱要求更高,這是優缺點,這個方案有實施但是難度稍微大一點。下來的話就是我分片區域來防護,這個就是一個IP40的防護等級,它本身來講的話,原來是IP20,但是加了一個金屬殼體再加PC蓋板,然后處理一下,這個金屬殼體是IP40的,上下有一些小口稍微有些活動透風的,線纜的入口和出口都保持結合和緊密,保持一個毫米的間距沒有,整個的IP40的防護就做完了,這是部分區域的。器件區域的話,把防護的做完了以后,器件的部分還是露出來的,針對這些東西還是要做防護,這是器件級別的,像銅牌的這種整體的防護,還有這樣一些銅牌的連接處,塑膠和噴塑的防護。整體的部分區域和器件級別的整個防護結合起來,基本上就是可以做成完整的IP防護,然后方便以后的維護,然后降低我們的維護成本。通過這個我想羅嗦兩句,今年整機廠的價格回調,有些部件的廠家供不應求還在漲,變流的還是比較悲慘還在下降,但是降低LCOE方面大家是共同努力的,這個你不是行業內的競爭,而是和火電、水電競爭。但是降成本一定還是有一些規則的,而不是簡單地壓價格,這個可以看到這些防護都是需要錢的。
 
  那么我們的客戶要求我們的一些防護其實也是很理想,海外也在壓我們的價格,但是還是比較理性的,說到規則他還是愿意跟我們付出額外的價格。他怎么跟我們降成本呢?他會很理性地規定規格,這個規格是否有效,彼此大部件的配合是否有效。比如說我們給Nodel(音)做配合,他們不斷地要求我們增強網側的電流能力,這個4.8我們做雙柜的都知道,原來國內網側是網側小于機側,但是4.8的機器機側電流1300萬,網側1400萬,網側比機側大,為什么?他希望我增加的無功輸出能力,整機的輸出調節由網側,電機不用管,這樣電機的成本好了很多,這也是我們和客戶,客戶和各個大部件廠商相互配合,制定合理的規則降成本,如果是僅僅的商務壓價,這條路是有一個底線的,不是最好的選擇。這是一個小小的呼吁,謝謝大家!
 
  (內容來自現場速記,未經本人審核)
 
 

 
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