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    • 头条风电机组动力电缆与母线排的应用对比分析
      2021-04-29 作者:杨东 王东 等  |  来源:《电气技术》  |  点击率:
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      导语风力发电机组动力电流的传输,一般采用动力电缆来完成;随着发电机组的容量越来越大,电流等级也越来越大,动力电缆的许多缺点凸显出来。近期以来,一些整机厂商开始采用母线来代替动力电缆。但是,对于不同容量的机组,选用哪种方式较好,一直以来没有一个确定的结论,本文就动力电缆和母线的选择方面做出一个全面的分析。

      随着风电机组容量的不断增大,风力发电机组塔筒动力电缆传输的电流等级越来越大,电缆的直径和量也不断增大,设计中电流负荷估算、实际运行中电流情况以及铜价上涨所造成的成本压力等因素,这些都是整机设计厂家非常关心的问题,电缆的敷设困难的问题也越来越受到工程和学术界的广泛关注,而母线排的敷设却相对简单的多,已经成为了很多整机厂家的一个很好的选择。

      母线系统是由金属板(钢板或铝板)为保护外壳、导电排、绝缘材料、分接单元及有关附件等组成的电力传输系统,简称母线排。最早用于高层建筑、工业厂房、机场、码头、综合建筑等工程的变压器至配电柜,以及配电柜至车间和楼层的电力传送。

      动力电缆

      1 塔筒动力电缆的物理特性要求

      (1)一般要求:电缆的设计、制造要充分考虑风电机组的安装、运行特点(如风的不可控性、随机性,有时瞬时变化可达10m/s以上,随风速变化风机负载波动幅度大)。应考虑频繁的投入和切除以及振动的影响,考虑风机运行中所受的各类载荷(稳定、周期、随机、瞬态、谐振载荷),以满足现场使用要求。

      (2)工作条件:动力电缆敷设在塔筒内,竖直悬空放置,承受自垂重力作用,工作中需要经常偏航对风(电缆扭转)。电缆导体长期允许工作温度80℃~90℃或更高。电缆工作环境温度范围可达-40℃~50℃,相对湿度小于95%,海拔高度在2000m以下。电缆有低温抗扭转性能、低温柔软性能、抗紫外线性能、耐磨性能、耐油性能、防化学腐蚀性能、阻燃、耐臭氧性能耐海水腐蚀性能等。

      2 动力电缆的优点

      塔筒动力电缆是为安装在风电机组塔筒而设计的,用于额定电压0.6/1KV(690V)系统,作为电力传输电缆使用。

      动力电缆的使用历史较长,技术成熟,归纳起来有以下几个优点:

      (1)电缆有专业的绝缘及防护外层,绝缘性能好,外层一般具有阻燃性,绝缘不助燃;

      (2)电缆柔韧性好,运输方便,不易损坏;电缆长度自由度大,任意长度连接方便;

      (3)电缆的外层易于做到高防护等级,不用另外再加防护;

      (4)电缆按电压等级分有额定电压450/750V、0.6/1kv、1.8/3kv、3.6/6kv 、8.7/10kv及26/35kV 等。单芯规格从1.5mm2到400 mm2 不等,多芯规格从1.5 mm2 到300 mm2 不等,选择余地较大。

      (5)电缆对于矿物油、合成齿轮油以及液压油具有卓越的耐受性,更适合于高湿度、高盐雾环境条件。

      3 动力电缆的缺点

      风力发电机组塔筒动力电缆,由几十米长(一般60m~100m不等或更高)从机舱到塔筒底部的整个电流传输长度的若干电缆组成,电缆的敷设有分段敷设和整体敷设两种方式。一般分段安装是将电缆分为几段(一般按每节塔筒一段来分),在塔筒的连接处再将电缆连接;整体敷设的电缆一般是塔筒吊装完毕后从机舱向塔筒下部敷设。

      3.1 风电动力电缆一般为铜芯电缆,随着风电机组容量不断增大,兆瓦级低压风电机组(额定电压为1000V以下)的塔筒内敷设有以下几个缺点:

      (1)由于塔筒不断增高,整根电缆敷设时自重增大,尤其固定不方便;

      (2)电缆的载流量增大,其截面积也会相应增大;载流量受电缆直径限制,直径太大造成安装的困难;所以,对大容量发电机组的动力要求,由于电缆直径太大,也造成了安装困难。

      (3)塔筒内电缆整根敷设难度大、现场敷设周期长;分段敷设时,电缆接头处压接制作工艺要求高,后期存在故障检测、修复困难等。

      (4)电缆机械强度低,电缆在机舱与塔筒中敷设时需要安装相应的电缆桥架等配套设施,无形中增加了机组成本。

      (5)有些标准电缆中含有卤族元素或PVC,不环保,阻燃电缆的绝缘和护套在火焰下虽然不助燃,但也会燃烧。

      (6)电缆受到线芯和绝缘材料的限制,其单根载流量通常只有几百安培,所以在大容量输电时,只能多根并联,这样又会大大增加塔筒与机架的承重能力,并且占用过多操作空间,使得本来就窄小的操作空间变的更加拥挤。

      (7)使用标准电缆电磁干扰较大,布线时要注意动力电缆与控制电缆以及需要模拟信号传输的电气元件保持一定距离,否则动力电缆会对其产生较大影响。

      (8)在变速恒频双馈风力发电系统中,长线电缆传输使脉宽调制(PWM)变流器的输出信号在电机转子侧产生过电压, 经电缆到达发电机的电压可达2250V左右,严重时会导致绕组和转子集电环过早地损坏。

      (9)电缆的检修、维护,和故障判断无法分段检测,遇故障需更换时必须更换整根电缆,成本高,工程量大。

      (10)电缆的绝缘层时间长了有老化的问题,使用寿命一般为15~20年左右,后期投入大。

      (11)从成本考虑,全球铜价逐年上涨,铜价波动较大,直接影响电缆成本也随之频繁的波动,增加整机厂的成本控制。

      3.2 有些风力发电机组生产厂在生产大容量(3MW以上)的机组时,为了减少低压电缆用量而采用中高压电缆作为动力传输介质,如会选用3000V,6000V及35KV电缆传输,这样在传输功率不变的条件下升高了额定电压,相应的减小了传输电缆的载流量,电缆的截面积与数量也会减少。

      这种选用中高压电缆传输的机组一般会分为两种方式将额定电压升高。一种是选用中压或高压发电机,既发电机出口所发出功率的电压是3000V或6000V,这样可选用电缆导体截面积较小的电缆,但这种方式缺点是:可以与高压发电机匹配的变流器很少或者造价很贵,虽然电缆的成本节省了一些,但是发电机和变流器的成本却大幅提高,得不偿失,这种高压传输的方式选用的较少。

      第二种方式是将原来在塔筒外面放置的箱变安放到机舱内部,将所发出的低压功率直接转化成高压功率(多为35KV),在经导体截面积较小的高压电缆传输到电网中,这种方法也会有效的减小原有的电缆线径过大,电缆数量过多的问题。但这种方法的缺点是:

      (1)变压器和变流器需要放置到机舱中,这样会使整个机组重量变大,机舱内的空间与机架的体积也要随之增大,加大了机架、塔筒的承重载荷,机架与塔筒要设计的更重空间更大才能安放并承受机架上的零部件,这样无形中就增加机架与塔筒的成本,也加大了机组现场吊装的难度。

      (2)生产35KV风电机组用耐扭转的动力电缆的生产商较少,由于生产工艺要求较复杂,国内电缆生产厂家较少,多以国外生产商为主,造价比1000V以下的风机用电缆高3到5倍不等,电缆的节省的成本有限。这种升压传输方式多用于海上机组。

      母线系统

      母线系统的应用不是起始于风电行业,在其他的很多行业都有应用,如:变压器输出端和低压配电柜之间的电气连接,由于电流大,一般4000A左右,受空间限制,无法用较小导体截面积的电缆完成,因此应用铝制或铜制的母线排。

      1 母线系统的分类

      (1)空气绝缘型母线排

      把裸露母线用瓷绝缘端子或绝缘夹板固定,裸母线之间保持一定的电气距离,母线间靠空气绝缘,再用金属壳体把母线连同母线的绝缘体全部保护成一体,即为空气绝缘母线排。

      由于空气绝缘母线排的散热是靠空气对流辐射来完成的,为了保证散热,对大电流规格的母线系统的防护等级一般最高能做到IP54,即金属外壳上要有散热孔,让壳体内的热空气向上散发。由于空气绝缘母线体积大、外壳防护等级低,加上空气不是优良的绝缘体,使用环境湿度也不能太高,耐压只能做到2500V左右,因此大容量的空气绝缘母线系统不能得到很好的发展。

      (2)密集型绝缘母线

      针对空气绝缘母线系统耐压绝缘性能较差、体积大、散热差等缺点,人们研究出密集绝缘型母线系统。

      所谓密集绝缘母线系统,就是用固体绝缘材料把每根母线包裹后紧密合成一体,再用金属外壳防护,金属外壳和和母线是紧贴的。

      风电机组动力电缆与母线排的应用对比分析

      图1 密集型母线排

      由于密集绝缘母线靠传导散热,散热效果与空气绝缘母线排相比大大提高了,不仅体积缩小了,而且电流等级也可以做到铝母线为4000A,铜母线为6000A。

      优良的绝缘材料在密集型绝缘母线系统上的应用,是母线的耐压等级可达到3800V,甚至更高。

      随着母线排应用的日渐广泛,散热不是依靠空气散热,密集型母线排的防护等级最高可做到IP66,可以适应更加苛刻的环境尤其是风电行业等恶劣环境的应用。

      然而,密集型母线排的缺点是:

      (1)密集型母线排对母线外层的绝缘要求很高,绝缘除了可以满足母线的耐压等级,耐热外,绝缘还应采用不含卤素等有毒物质环保材料。有的母线生产商用聚四氟乙烯作为母线导体的绝缘材料,这样做的缺点是当母线系统发生过载或短路时,温度可达到270°左右,这时绝缘材料就会分解出有毒气体,因此,不能采用聚四氟乙烯作为母线导体的绝缘材料。

      (2)绝缘的老化与摩擦破损也是密集型母线在风电行业应用的故障隐患。在近百米高的塔筒中(大功率的机组塔筒甚至超过100米)垂直敷设的母线排会随着塔筒一起摆晃,从而导致密集型母线排之间有相互的摩擦,如果绝缘材料选择不当,在机组20年的使用寿命中,母线排间的绝缘层很容易磨破,加上母线绝缘会有相对的老化与变脆,导致母线相间短路。而空气型母线排则没有此故障隐患。

      2 母线排的物理特性

      1) 母线系统的优点

      (1)在系统结构上,母线排系统由多种长度(根据需求灵活变化)的直线段单元连接而成。

      (2)显著的降低从变流器经母线排到发电机的高次谐波电压, 对690V的风电系统,经母线排到达发电机的电压为1450V左右。

      (3)母线排的电磁干扰较低, 它取决于钢铁外壳和导体外型,对其他控制设备和传感器的干扰小。

      (4)母线排的安装方便,重量轻,机械强度高。一般只有同规格电缆重量的1/3左右。

      (5)母线排基本免维护, 由于安装简便,维护费用低,线路能耗低,整个寿命周期的费用更经济,如果母线排有损坏只要更换其中损坏的一部分即可,维修后性能可达到原有的水平。

      (6)母线排使用寿命较长,一般为50年。

      (7)再大电流的系统中(1000A以上),母线相对于其他传输方式所占用的空间较小。

      (8)过载能力强,绝缘材料工作温度可在130度以上,并且散热能力较好。

      (9)外壳由钢板或铝合金制成,不会燃烧,绝缘材料阻燃,耐高温可有效阻燃。

      (10)随着国际铜价一路高涨,风电行业成本竞争压力越来越大,而铝材较铜材价格低很多,所以主要材料为铝材的母线排越来越多的被风电整机公司所青睐。

      2)母线排的缺点

      在风电行业,虽然母线排相对于普通动力电缆的优势越来越明显,但是随着时间的推移和应用的范围的扩大,运用实践表明母线排本身存在着诸多缺陷也越来多被人们所了解,主要表现在以下几方面:

      (1)风电机组用母线排主体在塔筒厂安装完成,到现场主要安装母线连接件与终端的电缆部分,安装时要避免对母线进行较剧烈的碰撞、敲击,特别是连接螺栓紧固力矩,要严格按照母线排紧固要求进行紧固,由于母线排安装的要求比较严格,安装母线排的操作人员素质参差不齐,很容易放松对母线安装的要求,影响母线排的安全使用和使用寿命。建议安装母线排的操作人员要接受过专业的母线安装培训并拥有丰富的安装经验。

      (2)母线排在使用时接头部位最易发热,因此在对风电机组选择合适的母线排时要充分计算母线的载流量、过载能力是否满足机组的使用要求,并考虑所应用的环境温度的影响,留有足够的裕量。

      (3)再选则母线排时很容易选择到质量不过关的产品。随着母线排的应用越来愈广泛,母线排的生产厂家也越来越多,但是产品的质量、性能和工艺水平却参差不齐,母线排先进的生产工艺还是掌握在施耐德、西门子等少数大型母线排生产商手中,很多母线排生产商的制作工艺还停留在手工操作上。

      3 母线排的电气防护等级

      电气防护等级一般分为四种,不同的电气防护等级要求母线排的防护等级不同,

      (1)一级污染等级,即无污染或干燥的非导电性污染。

      (2) 二级污染等级,只有非导电性污染,但是也应考虑到偶然或由凝露造成的导电性。

      (3)三级污染等级,存在导电性,或由于凝露使干燥的非导电性污染变为导电性污染。

      (4)四级污染等级,造成持久性的导电性污染,例如由于导电尘埃或雨雪造成的污染。

      对于不同的环境要求,对母线排防护等级要求不同,风电领域内,陆地型机组一般按三级污染等级考核,沿海或海上机组按四级污染等级考核。

      风电机组中的母线排

      现在风电系统中常用的母线排主要是本文中所提到的空气绝缘式母线排和密集型母线排,由于风电行业的特殊性,对母线系统的使用要求高,一般风电机组所用到的这两种母线排都具有阻燃和防腐的特性。

      (1)母线排的阻燃性

      母线系统的金属壳体和母线是不会燃烧的,但金属壳体的涂层和绝缘材料必须阻燃,这即为阻燃型母线排。

      阻燃材料和不燃材料是两个概念,阻燃材料在火焰中能燃烧,但移去火源后燃烧会停止,也就是说这种材料本身不会燃烧,其氧指数要求在27以上;不燃材料就是本身不会燃烧氧指数为100,放在酒精灯的烟火上不会燃烧的材料。

      阻燃型母线排不仅要阻止燃烧,而且不能在火灾环境中释放出毒气,聚四氟乙烯能阻止燃烧,但他能释放出毒气,因此不能应用于阻燃型母线系统中。

      (2) 母线排的防腐性

      由于越来越多的风电机组安装在海上或近海高湿高盐雾的滩涂环境,所以为其配合的母线必须具备防腐防烟雾要求。母线排金属壳表面,以及母线导体表面绝缘以及母线附件都具备防盐雾性能,并且很多风电母线排都经过严格的母线排耐盐雾测试,达到了在盐雾浓度较大的环境内正常使用的要求。

      风电机组动力电缆与母线排的应用对比分析

      图2 风机塔筒内母线排的安装

      1 母线排的链接

      母线排的连接处如下图

      风电机组动力电缆与母线排的应用对比分析

      图3 母线排的链接

      母线排的连接处螺栓要有力矩的要求,一般为80~110N·M,保证连接点的电气连接的紧固性。相间要有可靠地绝缘,在可靠的接触力矩下导体可以伸缩滑动;接触面重叠部分应具有很大设计余量,连接非常方便。

      动力电缆和母线槽的经济性对比

      近年来,随着国际铜价的一路高涨,动力电缆的价格也随之水涨船高,而以铝材为主要材料的母线排价格却维持在一个相对稳定合理的价格上。随着机组容量越来越大母线排的传输成本比动力电缆传输成本优势会更明显。

      结语

      由上述分析可知,风力发电机组中动力电能传输方式,不同于一般动力电能的传输,有其行业的特殊性;对于风电机组的设计人员,即要考虑到风电机组动力传输的特殊性要求,如频繁振动、耐低温环境等外在因素,又要全面考虑不同容量机组的参数、成本、安装工艺等内在因素,通过对比对母线排与动力电缆的优缺点,进行客观分析,综合考量后做出选择。保证风电机组动力传输的安全、可靠的前提下,做到最小的投资和后期维护成本,真正做到经济与环保的统一。

      (编自《电气技术》,作者为杨东、王东 等。)

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