基于围护结构的传热散热系统和风力发电机组的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力传输技术领域，尤其涉及一种基于围护结构的传热散热系统和风 力发电机组。
【背景技术】
[0002] 一、风力发电机组塔筒电力传输电缆应用的物理概况
[0003] 近年来，随着风力发电机组容量的不断增大，风力发电机组塔筒电力传输电缆传 输的电流等级越来越大，电力传输电缆的直径和重量也不断增大，设计中电流负荷估算、实 际运行中电流导致的发热情况以及铜价上涨所造成的成本压力等因素，都是整机设计厂家 非常关心的问题。
[0004] 1.电力传输电缆设计的一般要求
[0005] 电力传输电缆的设计、制造要充分考虑风力发电机组的安装、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出以及振动的影响，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。
[0006] 2.电力传输电缆的工作环境
[0007] 电力传输电缆敷设在塔筒内，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（电力传输电缆扭转）。电力传输电缆导体长期允许工作温度80°C~90°C或更 高。电力传输电缆工作环境的温度范围会处于-40°C~60°C，相对湿度高达到95%，海拔高 度超出2000m以上。电力传输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。
[0008] 3.电力传输电缆的优点
[0009] 塔筒电力传输电缆是为安装在风力发电机组塔筒内而设计的，用于额定电压0. 6/ IkV(690V)系统，作为电力传输电缆使用。电力传输电缆的使用历史较长，技术成熟，归纳起 来有以下几个优点：
[0010] ⑴电力传输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。
[0011] ⑵电力传输电缆柔韧性好，运输方便，不易损坏；电力传输电缆长度自由度大， 任意长度连接方便。
[0012] (3)电力传输电缆的外层易于做到高防护等级，不用另外再加防护。
[0013] (4)电力传输电缆按电压等级分有额定电压450/750V、0.6/lkV、1.8/3kV、 3. 6/6kV、8. 7/10kV 及 26/35kV 等。
[0014] 单芯规格从I. 5mm2~400mm2不等，多芯规格从I. 5mm2~300mm2不等，选择余地较 大。
[0015] (5)电力传输电缆对于矿物油、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。
[0016] 4.电力传输电缆的缺点
[0017] 风力发电机组塔筒电力传输电缆，由几十米长（一般60~I IOm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力传输电缆组成，电力传输电缆的敷设有分段 敷设和整体敷设两种方式。一般分段安装是将电力传输电缆分为几段（一般按每节塔筒一 段来分），在塔筒的连接处将电力传输电缆连接；整体敷设的电力传输电缆一般是塔筒吊 装完毕后从机舱向塔筒下部敷设。风力发电机组电力传输电缆一般为铜芯电力传输电缆， 随着风力发电机组容量不断增大，兆瓦级低压风力发电机组（额定电压为1000V以下）的 塔筒内电力传输电缆敷设有以下几个缺点：
[0018] (1)由于塔筒不断增高，整根电力传输电缆敷设时自重增大，尤其固定不方便。
[0019] (2)电力传输电缆的载流量增大，其截面积也会相应增大；载流量受电力传输电 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，由于电力传 输电缆直径太大，也造成了安装困难。
[0020] (3)塔筒内电力传输电缆整根敷设难度大、现场敷设周期长；分段敷设时，电力传 输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。
[0021] (4)电力传输电缆机械强度低，电力传输电缆在机舱与塔筒中敷设时需要安装相 应的电力传输电缆桥架等配套设施，无形中增加了机组成本。
[0022] (5)有些标准电力传输电缆中含有卤族元素或PVC，不环保，阻燃电力传输电缆的 绝缘和护套在火焰下虽然不助燃，但也会燃烧。
[0023] (6)电力传输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 过多操作空问，使得本来就窄小的操作窄间变的更加拥挤。
[0024] (7)使用标准电力传输电缆电磁干扰较大，布线时要注意电力传输电缆与控制电 力传输电缆以及需要模拟信号传输的电气元件保持一定距离，否则电力传输电缆会对其产 生较大影响。
[0025] (8)在变速恒频双馈风力发电系统中，长线电力传输电缆传输使脉宽调制（PffM) 变流器的输出信号在电机转子侧产生过电压经电力传输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。
[0026] (9)电力传输电缆的检修、维护和故障判断无法分段检测，遇故障需更换时必须更 换整根电力传输电缆，成本高，工程量大。
[0027] (10)电力传输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。
[0028] (11)从成本考虑，全球铜价逐年上涨，铜价波动较大，直接影响电力传输电缆成本 也随之频繁的波动，增加整机厂的成本控制。有些风力发电机组生产厂在生产大容量（3MW 以上）的机组时，为了减少低压电力传输电缆用量而采用中高压电力传输电缆作为动力传 输介质，如会选用3000V，6000V及35kV电力传输电缆传输，这样在传输功率不变的条件下 升高了额定电压，相应地减小了传输电力传输电缆的载流量，电力传输电缆的截面积与数 量也会减少。这种选用中高压电力传输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，即发电机出口所发出功率的电压是3000V或6000V，这 样可选用电力传输电缆导体截面积较小的电力传输电缆，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，虽然电力传输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)，再经导体截面积较小的高压电力传输电缆传输到电网中，这种方法也会有效 的减小原有的电力传输电缆线径过大，电力传输电缆数量过多的问题。但这种方法的缺点 是：
[0029] 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。
[0030] ②生产35kV风力发电机组用耐扭转的电力传输电缆的生产商较少，由于生产工 艺要求较复杂，国内电力传输电缆生产厂家较少，多以国外生产商为主，造价比1000V以下 的风机用电力传输电缆高3~5倍不等，电力传输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。
[0031] 二、塔筒电力传输电缆传统敷设方案的简要说明
[0032] 通常，机舱内发电机开关柜电力传输电缆沿着机舱底座下部电力传输电缆槽至塔 筒上部入口，并用"电力传输电缆掉网"将每根电力传输电缆网挂在机舱底部，从机舱内悬 挂点至马鞍面部分电力传输电缆按照如图1和图2方式安装，至马鞍面10的电力传输电缆 1同时还需满足扭转性能，电力传输电缆1安装于空心电力传输电缆护圈内，经由马鞍面10 过渡至塔筒壁预制的夹具电力传输电缆夹板内的凹槽中。此段电力传输电缆会受到机舱偏 航影响会经常扭转。沿着马鞍面至塔底的电力传输电缆采用电力传输电缆夹板固定。在电 力传输电缆夹板穿孔固定的圆柱形电力传输电缆线束之间的间距为线径的2. 5倍以上。如 图2所示，电力传输电缆1沿着塔筒内壁"一个固定的圆周方位"向下敷设、分段固定在塔 筒壁附近。
[0033] 三、塔筒电力传输电缆传统敷设方案存在电力传输电缆过热的问题
[0034] 在塔筒电力传输电缆传统敷设方案中，电力传输电缆借助电力传输电缆夹板在塔 筒内壁一个固定方位成组下落敷设，单纯考虑与固定在塔筒内部的梯子靠近，便于安装。但 是，没有专门考虑将塔筒作为建筑行业的围护结构来对待，也没有专门考虑系统化散热。现 有技术中，尤其是在夏季容易出现电力传输电缆过热的问题，影响风力发电机组的正常运 行，降低了对风能的可利用率，缩短了电力传输电缆的使用寿命。
[0035] 四、电力传输电缆过热的原因分析
[0036] 1.塔筒电力传输电缆传统敷设方案在散热方面存在缺点，主要表现在以下方面：
[0037] (1)经由马鞍面过渡至塔筒壁预制的夹具电力传输电缆夹板内的凹槽中，之后电 力传输电缆以传统方式平行于塔筒内表向下竖直敷设。电力传输电缆自下向上（塔顶）延 伸过程中，没有明确有利于电力传输电缆散热的定向固定方位；下段电力传输电缆表面被 加热的气流在受浮升力作用上升过程中对电力传输电缆的上段冷气流介入电力传输电缆 表面进行冷却所起的干扰阻挠作用很大，来自下段、上升的气热流对上段电力传输电缆有 加剧"围绕包裹电力传输电缆"的作用。
[0038] (2)多跟电力传输电缆并行竖直排布所占据的塔筒内壁附近的周向弧长（或横向 宽度）也有限，电力传输电缆自身产热后表面附近的热空气受到浮升力作用后向上运动， 上升的热空气运动过程可以带动、掺混的塔筒壁面附近的空气所占据的周向弧长也较小， 传统敷设布置没有发挥背阴面塔筒壁及其附近温度较低的空气构成的这个"冷源"的作用。 "冷源"是相对于"热源"来讲的，"热源"在这里指电力传输电缆以及工作的电气设备，"冷 源"指背阴侧塔筒壁和内侧空气及其背阴侧塔筒壁外部空间环境，包括塔筒外空气、自然环 境。