用于風力發電設備的連接器的簡易安裝與維護

發布時間：2009-6-21 10:35 發布者：李寬

隨著風能行業不斷趨于成熟，行業標準業已初露端倪。標準化組織已經開始對風力渦輪機研究制定標準規范。現在及過去，大部分設計師傾向于選擇現有的成熟技術，如工業以太網或向模塊化工業連接器這樣已經得到廣泛認可的產品。
　　即插即用帶來更低的成本與更高的可用性
　　風力渦輪機的復雜構造需要針對不同功能子系統提供廣泛的線纜解決方案。這些解決方案包括用于向電網傳輸電能的高壓線纜;用于監控及SCADA(監控控制與數據采集)的光纖及以太網線纜;用于控制偏航與槳距的控制線纜;用于電機及驅動設備的電源線。為了加快渦輪機系統的安裝速度并簡化維護工作，設計師開始趨向于采用“即插即用”解決方案。這樣做的目的是為充分發揮“即插即用”產品在線纜安裝中的便捷性，從而加快整個風能系統的安裝與維護。

　　為簡化風力渦輪機內的全部線纜解決方案，制造商開始轉向使用便于安裝的工業連接器技術。該技術具有三大特性：由堅固的金屬或復合材料外殼提供的可靠的機械結構，模塊化插頭提供靈活的觸點及線纜適應性，能夠滿足防護或密封要求。風力渦輪機所用連接器的典型需求包括：大范圍適用溫度(-40~+125℃)，防震防沖擊，有防護或無防護，防水，密封性能最高達到IP67，鎖止性能，采用正向基座實現快速連接/斷開和模塊化(根據需要能夠與信號、電源及光纖組件配合)。工業連接器技術能夠適應并整合多種線纜——用于電機和驅動設備的電機供電線纜，用于控制的雙絞線，用于監控的儀器線纜等——可以在同一接口上替換多種連接器。
　　圖2所示為泰科電子的HVS連接器，該連接器為典型的工業級連接器。在該結構中可以容納6組單模塊及3組雙模塊。在多數風力發電應用中，HVS連接器使用戶可以在單一連接器中配置一個應用所需的多種接口，從而有效降低所需接口數量。接口模塊包括：高電壓觸點，標稱最高可達3000V;高電流觸點，最高可達400A;高密度單觸點，單模塊最高可達25個觸點;同軸觸點;RJ-45模塊插頭;USB;IEEE 1394 (火線);4同軸觸點，可支持1GHz操作;D-Sub接口。

　　工業連接器的模塊化設計給予了設計師在接口及線纜裝配設計上極大的靈活性。通過對插頭及鎖止裝置的設置，線纜裝配完全可以根據具體應用而定制。用于偏航電機控制的連接器與用于槳距電機控制的連接器不同，使得線纜不會連接到錯誤的子系統上。顏色標識可以根據功能、電路或其他應用參數進行區分，從而實現通過視覺十分方便地進行分辨，從而可以縮短系統接入電網運行所需的時間。
　　模塊化實現一個單連接器系列的標準化，從而使其可滿足廣泛的需求，因此能夠簡化供應鏈。雖然每種線纜應用可能需要不同配置的連接器，但一些模塊可以同時被多種應用共享。這種可共享特性能夠減少必要庫存零件的數量，同時能夠整合線纜裝備中必要步驟的數量。一個單模塊連接器系列能夠提供上千種應用組合。你可以向連接器供應商咨詢針對你的具體應用所需的部件配置。另一個實例是不同來源的子系統在到達裝配地點后都能找到適宜的配對連接器，因而能夠適用于子系統的多渠道供應。
　　能夠說明模塊化優勢的另一個實例就是滑環的裝配，滑環的作用是在中心與電機艙間傳輸數據與電能。在多數設計中，如果滑環需要維修或者更換則需要花費大量時間來斷開眾多線纜。完成這樣操作至少需要停機若干天。而采用模塊化設計，所有連接滑環的線纜可以在幾分鐘內斷開，從而實現快速斷開滑環。如今，更換滑環只需要幾小時而不是幾天。
　　工業以太網

　　工業以太網已經成為監測與控制風力發電系統的重要方式之一。如圖3所示的IP67連接器，這樣的密封式連接器能夠提供高性能、高可靠性的服務。針對機柜內受保護的連接，如果沒有特別的的密封要求，網線可以使用標準的5e類線或6類線。由于大量驅動設備與電機擁有更高水平的內置智能功能，因此需要如圖4所示的混合型連接器，其在一個連接器內最多能夠提供多達8個電源觸點及以太網接口，并采用螺絲固定的機械連接方式，從而提供防震性。通過這樣的產品，一個連接器即可傳輸信號與電力。

　　光纖骨干網
　　光纖憑借高帶寬、長傳數據路、低噪聲干擾等特性，已成為風力渦輪機內部及其與風力電廠中心監控控制系統通信連接的最佳選擇。而連接器的選擇主要取決于應用參數的強度。光纖連接器能夠像工業以太網銅連接器一樣，提供密封的工業接口。
　　中壓連接器
　　將渦輪機產生的電能傳輸到集電設備和從集電設備傳輸到風場變電站是兩種不同的電壓等級。渦輪機端產生的電壓為600-700V，而在風力發電機塔底部將升壓到22 kV到34.5kV(根據不同國家的標準)。一般7-10臺渦輪機串連在一起，將升壓后的電流傳輸到集電網絡的起點或風場變電站。在變電站內，電壓將再次提升至幾百千伏用于大功率遠距離輸電。
　　由于渦輪機內電壓低于600V-700V水平，因此可采用各種工業級技術。復合線纜(約8-10股)將這些低壓電流傳輸到發電塔底部的升壓變壓器。從那里開始，連接器更多采用能源級產品而不是工業級或通信級。它們一般采用壓緊或螺絲組裝方式。中壓電流傳輸與信號或低壓電流傳輸的主要不同點在于需要更多考慮接地、電涌保護、短路保護以及其他問題。
　　多數電力傳輸連接器采用直線型連接或T型連接(如圖5)。由于集電網絡位于地下，可靠性尤為重要。與機艙的機械部件需要耐磨與精密電子等需求不同，集電網絡不像渦輪機那樣需要連接提供高速及簡便維護性。安裝完畢后，集電網絡將工作多年。而集電網絡的故障將導致許多發電機停機。同樣，集電網絡到變電站的連接故障將導致整個風力發電站癱瘓。

　　聯網控制中心
　　不同渦輪機的通信、監控及控制電纜都集中于控制中心，用于控制各渦輪機、與電網連接、通過互聯網通信等。將各個渦輪機聯網到集中網絡所需的連接器和線纜選擇與其他網絡相同。基礎線纜系統使網絡具備管理更簡便，并且能夠適應連接網絡交換機、路由器系統控制電腦的基礎架構網絡的遷移、擴容及變更等情況。機架式插座面板與光纖附件使用戶可以根據功能和電路來組織和連接線纜。

　這些問題的關鍵就是確保連接器與線纜能夠滿足網絡速度的要求。5e類雙絞線是工業以太網在數據傳輸率為1Gb/s以下的最佳選擇，6類及6A類線適用于10 Gb/s網絡，對于更高數據傳輸率應用也有更好的選擇。6類線提供了額外的性能空間，為保證信號準確提供保障。由于控制中心的環境受到嚴格控制，因此密封、適用溫度等問題并不重要。標準基礎線纜部件即可滿足要求。
　　風力發電“適用”是連接器選擇的關鍵
　　價格不再是選擇連接器的關鍵因素，正常運轉時間與風力渦輪機的并網可用性才是選擇的重點。如今，風力渦輪機制造商已從關注部件的采購成本轉向其整個產品生命周期的成本。比如，恰當的線纜配置將大幅縮短風力渦輪機的安裝時間，同樣能加速維修與維護時間。實際上，相比風力渦輪機停機的成本，連接器或線纜解決方案的成本是微不足道的。

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