张光
天津中国船舶重工集团海上风电工程技术有限公司 天津市 300452
摘要：从我国风电产业现状和国内外发展趋势来看，我国在风电技术领域仍面临一系列挑战，主要表现在先进风电设备的自主设计和创新能力有待加强等方面，风电行业公共测试体系刚刚起步，风电标准、测试认证体系有待进一步完善。我国已初步参照国际惯例建立了风电标准、测试和认证体系，但鉴于我国特殊的环境条件，有别于其他国家，需要根据我国国情进一步完善。
关键词：风力发电设备；海上；标准；环境条件；
通过分析影响我国海上风电设备的环境条件，研究各种环境因素对设备的具体影响，提出了各关键设备需要通过的环境试验认证。针对各种环境因素的影响，提出了应采取的防护措施，为我国特殊海洋环境条件下风力发电设备环境技术标准的制定提供了依据。
一、影响海上风电的主要环境因素
国际风电行业标准主要来自德国、丹麦和国际电工委员会，这些标准主要是以德国和丹麦的条件及经验制订的。对比分析IEC 61400-3、德国劳氏船级社（GL）《海上风力发电机组认证规范》、中国船级社《海上风力发电机组认证规范》对海上风力发电机组环境条件的说明，可将环境条件划分为风况、海洋条件和其他环境条件。一般情况下，下列其他环境条件应考虑且需要在设计文件中说明相应的措施：1）空气温度；2）相对湿度；3）空气密度；4）水密度；5）水温度；6）水盐度；7）太阳辐射；8）降雨、冰雹、覆冰和积雪；9）化学活性物质；10）机械活性物质；11）雷击；12）地震；13）海床变化；14）冲刷；15）腐蚀；16）运输。根据以上国内外海上风电机组标准对环境条件的要求，并参考国内外环境条件标准（主要是GB/T4796，GB/T 4797，GB/T 4798和IEC 60721系列标准）对各种环境参数组的分等分级的方法，可将我国风电机组的海上特殊环境条件按表1分为六类，具体环境因素内容见表1。
表1影响海上风电的环境因素
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对我国四大海域展开气候数据的分析和统计，并参考GB/T 14092.4—2009[4]对各种环境参数分级的方法，得出风力发电设备的气候环境参数及其等级。设计方在选择设计值时，应考虑诸多气候条件同时出现的可能性。1年重现期或更短时间正常范围内的气候变化，应不影响海上风力发电机组的正常运行。
二、我国海上风电存在的主要问题
我国发展海上风电的空间巨大，但海上风电不是简单地将陆上风电搬到海上。相对陆上风电，目前，我国海上风电各项技术均处于起步阶段，还存在诸多的技术难题，主要包括以下内容。1）海上风电基本上还没有形成一套独立的设计方法、标准和检测、安装、运行和维护体系，海上风电产业体系有待进一步健全。2）海上环境条件恶劣，海上风机对防腐蚀等要求比陆上风机更为严格，同时，运行维护成本也较高。3）我国海洋环境条件与欧洲海洋环境条件存在明显差异，这就对我国海上风电机组提出特殊要求。4）在我国的海洋区，不同区域的地质条件差异很大，包括海上洋流、气候条件等，这样给海上风电机组基础工程设计及施工带来更大难度。
三、环境因素对风力发电设备的影响
风力发电设备在我国海上特殊环境条件下运行时，容易发生部件故障停机、控制失灵、短路等问题，影响整个风力发电设备的正常稳定运行。通过收集资料并结合环境适应性的研究经验，得出各种环境因素对海上风力发电设备的主要影响分析（见表2）
表2环境条件对风电发电设备的主要影响
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四、风力发电设备环境试验与技术要求
向国内几十家风电企业发送调查问卷，就风力发电设备在我国海上服役时各部件应通过的环境试验进行调研。通过对调研反馈表进行分析，各关键部件应通过的环境试验见表3。
表3各部件应通过的环境试验
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在沿海和海上区域服役的风力发电机组的服役环境与其他地区相比具有其特殊性。其中很重要的一点是在沿海和海上区域空气不仅湿度大，还含有大量海水蒸发产生的盐分，形成了浓度很高的盐雾。在湿润的空气中，盐雾电离出大量氯离子，氯离子穿透金属表面的防护膜与内部金属发生化学反应，另外氯离子具有一定的水合能，容易吸附在设备表面的孔隙和缝隙，导致金属材料的零部件腐蚀。电气设备内部的线圈和触头腐蚀后，导致电接触不良，使电气设备发生短路或绝缘性能下降，给整个风电机组的安全运行带来不利影响。下面用盐雾试验的选择作为例子来说明各环境试验的选择方法。GB/T 2423系列标准是为产品规范制定者或产品试验者提供一系列统一和可再现的环境（主要是气候和机械强度）试验方法。电气、机电、电子设备和装置，及其组件、分组件、元件都适用于本系列标准。在对海上风电机组的耐环境影响进行评估时，可参照本系列标准选取相应的试验方法，并对试验中或试验后的试验样品性能进行评价。GB/T 2423.18—2012适用于在预定耐受含盐大气的元件或设备，试验时依据其耐受程度选用相应的严酷等级。其中严酷等级（1）和（2）适用于试验在海洋环境或在近海地区使用的产品。严酷等级（1）适用于试验在大部分使用寿命期间暴露于这种环境的产品。严酷等级（2）适用于试验可能经常暴露于海洋环境、但通常会受封闭物保护的产品。它们通常在元件质量保证程序中用作普通腐蚀试验。风力发电机组的各设备依据其暴露场所，可分为有气候防护场所和无气候防护场所。有气候防护场所的设备（包含变流器、主控制系统、发电机、变桨电机、偏航电机等）宜采用严酷等级（2）。试验前，按规定测量试样的的绝缘电阻和进行功能试验。试样按使用状态放入盐雾箱内，在15～35℃温度条件下连续喷雾2 h；喷雾过程结束后，将受试设备按使用状态放入温度为（40±2）℃，相对湿度为90％～95％的湿热箱内，历时20～22 h。试验期间设备不运行。试验结束后，将受试设备置于正常大气条件下恢复1～2 h，紧接着进行绝缘电阻测量和性能试验。介电性能应满足在正常试验大气条件下，变流器各回路应能承受波形1.2/50μs的脉冲电压，不得出现击穿、闪络、打火花现象，或变流器各回路经工频耐压试验后无击穿闪络及元件损坏现象。主控制系统绝缘电阻应满足在系统中带电回路之间及带电回路与地之间，用绝缘测量仪器进行绝缘电阻测量，介电强度满足冲击耐受电压符合GB/T 3797—2005第4.8.2条规定的要求，工频电压满足GB/T 3797—2005第4.8.3条规定的要求。发电机、变桨电机、偏航电机的绝缘电阻应符合GB/T 7060—2008中5.7.1的要求。GB/T 2423.17—2008适用于评定保护性涂层的质量以及均匀性。风力发电机组机舱内外的外露于空气中的金属电镀件和化学处理件应按该标准进行试验。各种零件可依据表4进行试验并进行合格评判。
表4盐雾试验
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五、环境影响的防护策略
通过与国内主要知名风电行业企业开展交流活动，并向国内几十家风电企业发送调查问卷，就风力发电设备在我国海上特殊环境条件下的防护措施展开调研。汇总分析对各种环境因素的主要防护措施见表5。
表5风力发电设备在我国海上特殊环境下服役的防护措施
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总之，为制定针对我国海上特殊环境条件的风力发电设备环境技术标准提供依据。该标准的制定能规范和提升我国风力发电设备在海上恶劣环境地区的环境适应性能，促进风力发电设备在海上恶劣环境下长期、稳定运行。
参考文献：
[1]刘红.海上风力发电机组认证规范.2018.
[2]王新宇，浅谈海上风电场设备海洋环境适应性技术研究.2019.