2019年11月22—23日，第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开，本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。维谛技术有限公司（原艾默生网络能源）研发总监赵岷在会上为大家带来了题为《风能变流器的安全设计》的精彩演讲。
以下为演讲实录：
我今天介绍的是变流器的安全设计。
安全这个事情我想大家每个人都不必要否认它的重要性，如果说到人生安全和重大的财产安全，每个企业受不了，我们每年都有安全教育，每年都会发很恐怖的安全图片，直到有一次市场销售的发了一个特别要命的图片，一个着火的风机上面还有人。我就不干了，我说兄弟你发图片谨慎一些，销售除了新员工入职实习一段时间，其他的都是在跟客户谈，我研发这边是要上风机的，而我服务的同事更要上去的，你这个图片发得太过分了，他说是是。但是他说我发的图片给大家造成的思想上的冲击，还是有利于我们在安全上的重视。
安全这方面其实也就是三个层面：第一个是安全制度和流程，这个我认为它是最重要的；第二个是我今天要讲的产品安全设计；第三个是个人防护措施。这三个相互互有联系，也相互各有自己的体系，每一个都不能互相地代替，不能说我今天讲了产品安全设计，就说这个非常非常重要，可以凌驾于其他之间，这也不是这样的，我今天所讲的产品安全设计，主要是发现问题、解决问题、验证问题，主要的思路在这里，一个是应用需求的分析，在安全方面、在产品方面我们有哪些需求。那么大部分的需求会归纳为产品标准，比如说安全方面的话，1860的，比如说62477，明年强制地切入到变流器的标准了，标准清晰了以后我们就要实现标准中的要求。这就是今天我要重点所讲的，就是产品实现的部分，还有是实验验证，做完以后你这个设计和最终的结果是不是一致的，不要搞得理想很丰满、现实很骨干，这也是不对的，最后是问题反馈和闭环，实验验证和差异，然后要总结出来，回过头来要重新分析，看看有没有改进的空间。
今天讲三个部分：三个设计即三个实验。一个是短路耐受，一个是燃弧，另外是变流器内部的局部防护。
短路耐受，这是62477的要求。主电流、主回路短路了，看看你机器整个的表现。主电路和回路短路会产生两个负面，一个是热应力，第二个是电动应力。热应力对于变流器的结构件来讲问题不是很大这个短路整个的标准要求是60毫秒，但是客户要求有长有短，不会低于60毫秒，再长不超过300毫秒，这是低压继电器的保护决定的。这么短的毫秒时间内，基础部件的温升是比较可控的，所以这不是太大的问题。比较大的问题是电动应力，大电流流过的过程中，对于结构件产生的比较大的力量，导致结构件的支撑件损坏，就是我们所说的绝缘端子，还有导体自身的损害，这是它的后果。那么怎样解决这个问题呢？我们整个的设计思路是这样的，一个是原始设计模型，就是整个的变流器设计是怎样开始设计的。然后在计算的过程中，必须要进行简化，要不然的话计算能量会非常大，简化完了以后会计算短路电流，根据短路电流再算出来电动力。而电动力得到以后就可以进行力学校核，根据原始设计进行力学校核。力学校核通过以后最后就是实验验证得到报告，整个的思路来说是这样的一个情况。
怎样进行电流/电动力计算，这个计算过程我们看了短路电流的标准，在我所列的这两个标准是有非常详细的阐述的，大家有清楚可以翻标准。那么下来的计算第一个是设定系统中的短路点，你说主功率、主回路是有哪些，哪些会发生短路？下面的图纸是一个烧废的例子。短路点两个方面，一个是在网侧，一个是在电机的定子侧，全功率可能更简单一些。确定了短路点，还要搞清楚分析几个具体的事情，一个是不同类型的短路，这就三项全短，不同地点的短路和不同方向的贡献。一个点短路的话有哪些源会为这些短路点实现持续的电流，这就是多少可以考虑清楚的。确定了这些参数以后，下面要确定具体的参数这个也可以现成的资料查阅，一些阻抗、感抗，还有器件的阻抗，这是主功率器件的选择还有其他的影响因素。最后我们计算短路电流，计算的时候一个特别注意的地方是AC和DC是分开计算的，两个都有影响的。只不过短路以后一部分时间的DC消除，但是机械应力的时候，往往是短路的那一下受到的机械应力最大，所以一定要考虑到DC。
这个就是计算出来短路电流，第二部分是计算电动力，这个公式是教科书的，像材料力学基本的一些公式，只不过将它公式化了。我们看到三相短路是由这些因素造成，平方关系、相间三相的距离是呈反比的，还有母线绝缘子跨矩是呈正比的。从公式里面我想阐述的是怎样设计我的母牌以及我的支撑件。那么得到了定应力，进行力学校核，就建立力学模型，还是要把刚才的简化掉，还有是支撑件强度校核，就是绝缘端子，还有导体刚度校核，这个整个来说的话得到的量就是这些，像导体的话一个是正向受力，一个是扭矩，计算出来和总结设计要点，这个和公式是紧密相关的。首先是短路电流要尽量小，这个也不是变流器自行决定的。然后三相之间铜牌的距离要尽量放长一点，这是受到体积的限制。还有一个是在三相铜牌的受力尽量侧面受力，而不是正面，这样防止弯曲。还有一个是铜牌上的绝缘端子和跨矩不能太远，尽量放密一点。这样的话对于短路耐受就会有很好的帮助。
那么我们看看实验验证的情况，实验验证的话就是短路前我们可以看到接受器的上端铜牌短死，短路打开以后看看里面的结构件是否异常、是否有变化，然后短路以后机器是否还能重新工作，这是实验的要点。我们这个实验定的是130毫秒的短路，就是将断路器的保护全部去掉，通过外部的试验设备、能量惯入时间来做控制。
第二个是燃弧，燃弧和短路是有相似之处，就是相间短路之类的。但是燃弧解决的思路是类似的，但是稍微麻烦一点。其实燃弧的话有两个因素，一个是内部的过压力，燃弧的时候我们计算过，如果是31.5千安的电流在我们这不算小的，大概会有10个大气压出来。另外是局部过热是一个热效应及会有炙热气体和粒子，防止他们对周边的器件和人员的伤害，整个的计算原理和短路耐受是类似的，但是和短路耐受要麻烦一点，基本上是计算电力、压力然后消散结构件。为什么我说麻烦呢？它的防护是两种：一个是被动防护，这很简单，就是使劲地强化外伸机会，你再怎么打的压力我就压住，如果你是10个，我就是12个。但是大家知道大禹治水堵不如疏。其实我们强化主动防护，几个方向，一个是泄放方向，不能随意泄放。还有位置安排，原则是你泄放的口尽量和你发生短路燃弧的区域要近，太远的话你泄放的效果肯定不好，但是近的话也要注意一个问题，就是它的热会不会对这个泄放口产生伤害，也不能太近了直接把热熔掉了，也是有问题的，还有可恢复性。泄放口泄放完了以后，你这个消失了不破坏防护等级。燃弧之所以麻烦一些，它和刚才的短路耐受不一样，短路耐受没有把握的话可以死硬地强化结构件，强化各个方面的铜牌支撑等。但是短路耐受过于强化还达不到泄放的目的，所以这是取一个权衡的做法。
我们来看看燃弧的实验，燃弧很重要的一点是，中间的图片是准备图片，也就是说你看金属方格上黑色部分都是放的易燃物质，看你喷出来热的东西是否会点燃易燃物质。然后这个是实验考评，我没有放录像，就是短的瞬间一下烟雾缭绕。在这个层面来讲，最右边是机柜内部，但是右边的不重要，在这个实验里面它是不重要的，短路耐受是很重要的。你要看实验后，实验的后果看外面，这些易燃物是不是点燃了，然后你的泄放的区域是否合理，是实验过程和外部的器件，内部是不重要的，所以以上是我们的测试报告。这两个的话其实是有相似的地方，短路耐受和燃弧，这也是涉及到安全方面的设计。
最后变流器内部局部防护这是一个彩蛋，为什么这样说？因为它没有任何的标准来规定内部的防护等级，尤其是我们这种设计源头的话没有规定。这个是什么意思呢？这是去年2018年N149，这就是Delta4000平台的调试平台，最佳3WM的金奖，这个都是我们供的。临时简单插一个，昨天王经理说随功率越来越大，电缆的问题，他提出了三个解决方案，一个是3300的中压解决方案，一个是140的低压分电频解决方案，这两个方案有较好的论述我不多说，另外一个是将箱变放到机舱上，这个方案没有过多地阐述，实际上这个机器的话就是把箱变放上面的，变流器在机舱最后面，旁边是690对10千伏的箱变，然后这样非常省电，对于游缆的要求很低了。现在之所以变流器和箱变没上去，说了各种各样的因素我都觉得很有道理，包括我们的重量的增加，引起的吊装难度，吊装要多一个钩。但是这一点我觉得是可以克服的，如果说机舱设计紧凑一些还是可以解决这些问题的，重量没增加多少，变速器和箱变相对其他的还是可以接受的。还有我们路上风机的交互界面，它是整机厂交，业主自己配，这些都是可以商量的，包括我们和其他的客户做非变流的机会，如果真的是解决有缆的问题，还有电缆降很多，为什么不能把箱变放上去，如果35千伏降下来电缆就放很少了，如果是140就缓解了这个问题，减了1/3，但是还不如35千伏直接下来，这是我个人的建议。
原来的是做局部的IP40防护，我解释一下，整个的机会我们一般是做IP54，路上做控制柜和并网柜做IP23的防护，但是怎样冒出来IP40的防护呢？它是在柜内做防护，不管是IP54还是IP23，我在柜内再做一层IP40的防护，我们为什么要做IP40的防护呢？不是规定所有的区域内都做IP防护，而是变流器和箱变之间做IP40防护，它最大的意义在什么？在于可以不断开箱变的情况下，对变流器做整机维护是可以的，因为我断开断路器，断路器的后端没电了，再把US一关全没电了，变流器的前端到箱变是IP40防护，这个还是挺有意思的，无论是在国内还是海外断箱变是相当麻烦的事情，因为它确实涉及到安全的问题。我问过服务的同时让业主断箱变是要走复杂的流程的。另外是和前面相关的，大大降低了防护区的这种拉弧的概率，提高了产品的安全性。
我们可以看到这种IP40，0就不用说了，IP4是什么意思？防止直径不小于1毫米的固体物不得进入，什么意思？任何身体的部位和区域都不可能进入这样的区域，这样的防护做好了是不存在这种人身触电的伤害的。那么怎么做呢？是有三种方式：第一个是整体区域的IP防护，第二个是分块区域，第三个是器件级别的防护，总而言之要把这块做出来。
我们看看整体区域的IP防护其实很简单，就是做个柜中柜，这个画绿色的部分全部是IP40的壳体保护起来这就OK了，没问题，但是好处是简单粗暴，坏处是1毫米的这种孔在机器内部即使是IP54的防护能量也是有风噪的，你会极强增强风阻，散热要求更高，这是优缺点，这个方案有实施但是难度稍微大一点。下来的话就是我分片区域来防护，这个就是一个IP40的防护等级，它本身来讲的话，原来是IP20，但是加了一个金属壳体再加PC盖板，然后处理一下，这个金属壳体是IP40的，上下有一些小口稍微有些活动透风的，线缆的入口和出口都保持结合和紧密，保持一个毫米的间距没有，整个的IP40的防护就做完了，这是部分区域的。器件区域的话，把防护的做完了以后，器件的部分还是露出来的，针对这些东西还是要做防护，这是器件级别的，像铜牌的这种整体的防护，还有这样一些铜牌的连接处，塑胶和喷塑的防护。整体的部分区域和器件级别的整个防护结合起来，基本上就是可以做成完整的IP防护，然后方便以后的维护，然后降低我们的维护成本。通过这个我想罗嗦两句，今年整机厂的价格回调，有些部件的厂家供不应求还在涨，变流的还是比较悲惨还在下降，但是降低LCOE方面大家是共同努力的，这个你不是行业内的竞争，而是和火电、水电竞争。但是降成本一定还是有一些规则的，而不是简单地压价格，这个可以看到这些防护都是需要钱的。
那么我们的客户要求我们的一些防护其实也是很理想，海外也在压我们的价格，但是还是比较理性的，说到规则他还是愿意跟我们付出额外的价格。他怎么跟我们降成本呢？他会很理性地规定规格，这个规格是否有效，彼此大部件的配合是否有效。比如说我们给Nodel（音）做配合，他们不断地要求我们增强网侧的电流能力，这个4.8我们做双柜的都知道，原来国内网侧是网侧小于机侧，但是4.8的机器机侧电流1300万，网侧1400万，网侧比机侧大，为什么？他希望我增加的无功输出能力，整机的输出调节由网侧，电机不用管，这样电机的成本好了很多，这也是我们和客户，客户和各个大部件厂商相互配合，制定合理的规则降成本，如果是仅仅的商务压价，这条路是有一个底线的，不是最好的选择。这是一个小小的呼吁，谢谢大家！
