温湿度对风电电气产品性能的影响★

黄 虎

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

目前，电气产品被大量应用于风力发电机组中，风电电气产品的绝缘性能是关系其是否安全稳定运行的关键因素。由于我国幅员辽阔，各地环境差异非常大，特别是温度、湿度，而风电电气产品的绝缘性能对温度、湿度的变化特别敏感，所以在产品的运行过程中其绝缘性能极易受到环境因素的影响。而在对风电电气产品进行试验时，不可能把所有条件模拟到，因此正确评估环境因素对风电电气产品的影响，对于产品的完善设计、提高产品的适应能力和防护能力是非常必要的。

1 温度和湿度的关系

在理想状态下，湿度是随着温度的变化而变化的，当环境温度上升或加热空气使得温度升高时，空气吸收水分子的能力增强，当无法人工增加空气里的水分子含量时，环境相对湿度的降低将会使环境里物质的水被空气吸收从而变干。

空气的相对湿度达到100%是指，在某一温度下，空气中的含水量达到饱和状态。若空气中已具有一定含水量，则相对湿度将随着温度的变化而呈现相反的上升和下降趋势；当相对湿度达到100%并进一步降低空气温度，则冷凝水会从空气中析出。

各温度下单位体积空气中饱和状态下含水量如表1所示，温度与饱和含水量关系如图1所示。

表1 完全饱和状态下空气中的含水量

在日常生产工作中，我们对于不同温度条件下的空气含水量变化情况是不易感受到的，但它会从客观上对产品质量差异和产品运行造成影响。

因此，在风电电气产品设计过程中，要考虑整机内部的温度变化的规律：在温度上升过程中，部件温度变化率要大于空气温度变化率，温度下降过程部件温度变化率要小于空气温度变化率。

图1 温度与绝对湿度（饱和含水量）的关系

2 温湿度对风电电气产品性能的直接影响

2.1 温度对风电电气产品绝缘性能的影响

绝缘介质的绝缘电阻随温度变化而变化，其变化幅度与绝缘介质的种类相关，当温度上升时，绝缘电阻呈现下降趋势。

绝缘介质因其材质和结构原因，其含水量无法呈现规律性变化，所以关于绝缘电阻与温度的换算公式，目前仍无固定标准。

根据巴申定律，气体的击穿电压Ub与气压p和气体间隙长度d的关系可表示为：

式中：γ是常数，工程上

在温度恒定的条件下，Ub是气压和间隙长度乘积pd的函数，即

由图2可见，在pd≈0.7 kPa·mm时击穿电压出现极小值，约0.45 kV。

鉴于气温变化的情况，可将击穿电压Ub公式改写为：

式中：δ为气体的相对密度，指气体密度与标准大气条件（PS=101.3 kPa，TS=293 K）下密度之比，即

式中：P为击穿试验时气压，kPa；T为击穿试验时温度，K。

图2 空气击穿电压与pd值的关系

实际产品中间隙一般d为常数，因此在很大范围内，击穿电压Ub可以看做是δ的增函数，即当温度T增加时，击穿电压Ub减少。

因此得出结论：在同一相对湿度下，温度越高，击穿电压越小。

2.2 湿度对风电电气产品绝缘性能的影响

当空气绝对湿度即空气中实际含水量增加时，若绝缘介质表面产生凝露，则绝缘件沿面闪络电压会略微升高，若绝缘介质表面未产生凝露，则绝缘件沿面闪络电压会大幅下降。这与凝露的产生、空气相对湿度和介质表面温度有关。

一般情况下，绝缘介质表面会在空气相对湿度大于65%时附着水膜，且随湿度的增加附着水膜增厚，以致形成导电水路并出现飞弧。

图3表示清洁的环氧树脂支柱绝缘子的交流闪络电压与空气相对湿度的关系。由图3可见：当相对湿度在60%以下时，闪络电压随相对湿度的增加略有提高，这在沿面放电距离为60 mm时尤为明显。这是因为在环境温度恒定的情况下，相对湿度的提高即意味着绝对湿度的提高；但当相对湿度超过60%时后，闪络电压明显下降，其原因就在于介质表面产生了凝露。

图3 清洁的环氧树脂支柱绝缘子的交流闪络电压与空气相对湿度的关系

电场分析结果表明，随着相对湿度的增加，宏观上，表面电场分布趋于均匀，按闪络电压与电场分布的规律可以推断，相对湿度的增加会引起闪络电压的增加。当湿度达到60%时，由于绝缘表面的几何起伏、憎水性以及水的表面张力等因素，使得绝缘表面电导不均匀，从而改变电场分布进而影响闪络电压。根据某种绝缘板材质的规格书可知，绝缘介质在浸水24 h后，其绝缘电阻为原来的1/10。

空气在同一绝对湿度下温度越低相对湿度越高，因此结合前一推论可得：在同一环境中，同一相对湿度（60%以下）下，温度越低，闪络电压越高；当相对湿度大于60%时，闪络电压急剧下降。

3 温湿度对电气产品性能的间接影响

3.1 温湿度变化下霉菌对风电电气产品性能的影响

霉菌孢子在潮湿的空气中更易生长，特别是温度为25～30℃、相对湿度为75%～95%的环境为其繁殖的良好条件，且密闭环境将加速霉菌生长。由于霉菌细胞含有大量水分，当霉菌菌丝布满绝缘介质表面时，会导致产品绝缘性能降低，同时影响设备的外观和标志，其代谢产生的酸性物质也会导致导电材料表面形成一层晦暗膜，造成接触电阻增大，长期如此将使得设备精度降低或产生故障甚至受损。

3.2 温湿度、氧含量变化下金属腐蚀对风电电气产品性能的影响

金属腐蚀主要受温度和湿度的影响，被腐蚀的导电金属会影响风电电气产品的性能和寿命。

3.2.1 湿度对金属腐蚀的影响

当相对湿度增加到一定程度后，腐蚀速度会骤增，通常将该湿度称为临界湿度。钢的临界湿度为70%，铁的临界湿度为63%，铜的临界湿度为60%。在临界湿度以内，金属几乎不受腐蚀，且与温度无关。在临界湿度以上且金属已被腐蚀时，腐蚀速度随温度升高而提高。

3.2.2 温度对金属腐蚀的影响

金属腐蚀受温度的影响，主要体现于温度骤降引发金属表面凝露，从而导致加速腐蚀。如果在某些昼夜温差大、潮湿多雨地带或季节，金属更加易被腐蚀。

3.2.3 氧含量对金属腐蚀的影响

金属腐蚀在空气中主要受到水分和氧含量的影响，且须两者皆备。由于金属暴露于空气中，表面所形成的水膜层非常薄，利于氧分子的渗透和溶解，导致氧分子能够顺利进行去极化过程，形成金属腐蚀条件。

3.2.4 本节小结

综上所述，湿度和氧气含量这两个因数在金属腐蚀中起着决定性作用；温度影响着湿度和凝露的产生，从而影响金属腐蚀。

4 结论

4.1 湿度对产品性能的主要影响（见表2）

表2 湿度对产品性能的主要影响一览表

4.2 温度对产品性能的主要影响（见表3）

表3 温度对产品性能的主要影响一览表

4.3 风电产品绝缘材料的主要选取要素

1）绝缘电阻：所有绝缘材料的电阻值不得小于1.0×109Ω，绝缘电阻越大代表绝缘性能越好。

2）电气强度：选取时不得小于1 000 V/mm，此值越大绝缘越好，对于中高压设备在任何情况下绝缘材料厚度都必须≥0.2 mm，而对于低压设备，如果绝缘材料厚度小于0.2 mm，必须用脉冲电压和耐压试验进行验证。

3）耐漏电起痕值数（PTI）：选取绝缘材料时，必须选取耐漏电起痕值数≥600 V的材料。

4）燃烧性：选取绝缘材料时，必须选取FV0或者94V-0的材料。

5）长期耐热性温度指数：选取绝缘材料时，必须选取长期耐热性温度指数≥120℃的材料。

在绝缘材料的制造和使用过程中，如果有机械应力、弯曲或在制造过程中的损害，都必须满足以上要求，否则会降低绝缘材料的各项指标，将导致绝缘性能的下降甚至绝缘崩溃。