【国家标准(GB)】 小型风力发电机组安全要求

GB17646--1998
本标准等效采用IEC1400-2:1996《小型风力发电机组安全要求》。为了使我国生产的小型风力发电机组尽快适应国际贸易、技术和交流的需要，完整地采用IEC标准中的安全要求是十分必要的，但考虑到我国大量使用小型风力发电机组在北方地区这一实际情况，其环境温度远低于IEC标准级规定的对正常温度和极端温度的要求，为此，结合我国环境条件的具体情况，把第3章中的标准将高寒地区使用机组的系统正常运行温度范围和在极端情况下运行的温度范围下降5℃，参照极端风速提高5m/s，并应适当考虑大气中含沙尘的环境条件。对其他地区而言，仍与国际标准一致。这样对出口的标准级机组仍完全符合国际标的要求。由国际标准IEC1400-2转化为国家标准时，各章、条号均未作改变。便于对照使用。本标准的附录A是提示的附录。
本标准由机械工业部提出。
本标准由全国风力机械标准化技术委员会归口。本标准起草单位：机械工业部呼和浩特畜牧机械研究所。本标准主要起草人：舒兆明、宋经选。202
GB17646-1998
IEC前言
1）IEC（国际电工委员会）是由各国家电工委员会（IEC国家委员会）组成的世界性标准化组织，IEC的目标是促进电气和电工领域有关标准化方面的国际合作，为达此目的和开展其他活动，IEC出版国际标准，委托各技术委员会起草国际标准；任一IEC国家标准委员会对涉及到的项目感兴趣，都可以参与该项目的起草工作，与IEC建立联络关系的国际的、政府的和非政府的组织也可参与起草工作，IEC与国际标准化组织（ISO)按照两个组织间确立的协议条件，密切合作。2）IEC有关技术方面形成的正式决议或协议表达了国际上对有关项目尽可能一致的意见，因为每个技术委员会都是由来自有关的国家委员会的代表组成的。3）形成的文件有国际使用的建议形式和以标准、技术报告或指南等形式出版，并为各国家委员会所接受。
4）为了促进国际间的统一，各IEC国家委员会在其国家和区域性标准中应明确地、最大限度地采用IEC国际标准，IEC标准和相应的国家或地区标准之间的任何差异都应在后者中明确地指出。5）IEC对它的批准过程不提供说明。并对任设备都须与其标准之一相符合的要求也不负说明责任。
6）应注意本国际标准的某些单元可能有专利权项，对任一或所有这些专利权IEC不负鉴别责任。国际标准IEC1400-2已由IEC第88技术委员会（风力发电设备技术委员会）起草。本标准文本以下列文件为基础：FDIS
88/53/FDIS
投票报告
88/65/RVD
本标准通过投票的全部情况可在上表所述的投票报告中找到。附录A仅作为资料。203
GB 17646—1998
本标准提出了小型风力发电机组的最低安全要求，并不能用作完整的设计规范或结构说明书依照本标准并不意味着任何个人、组织或公司可以不遵守其他的适用规范204
1概述
中华人民共和国国家标准
小型风力发电机组安全要求
Safety of small wind turbine generator systems1.1主题与范围
GB17646 - 1998
eqv IEC 1400-2: 1996
本标准为小型风力发电机组（SWTGS)（以下简称机组）的安全要求，它涉及到安全原理、质量保证、工程完整性和特定的要求，包括设计、安装、维修和特定外界条件下的运行，其目的是制定一个恰当的保护等级，以防止机组在计划寿命期内发生意外事件和损坏。本标准还涉及到机组的各辅助系统，例如保护机构、内部电气系统、机械系统、支撑结构、基础和电气与负载的连接。本标准适用于扫掠面积小于40m2，电压低于1000V(a·c.）或1500V(dc.）的机组。本标准应与有关的国家标准、IEC和ISO标准结合使用（见1.2）。1.2引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T19001-1994质量体系设计、开发、生产、安装和服务的质量保证模式(idt ISO 9001: 1994)
GB/T19002：1994质量体系生产、安装和服务的质量保证模式（idtISO9002：1994）GB/T19003：1994质量体系最终检验和试验的质量保证模式（idtISO9003：1994）IEC364建筑物的电气安装
IEC529：1989外壳防护等级（IP法则）IEC1000电磁兼容性（EMC)
IEC1400-1：1994风力发电设备第1部分：安全要求IEC CISPR 11：1990工业、科学和医疗（ISM)射频设备电磁骚扰特性的测量方法和限值ISO2394:1986结构可靠性通则
补充篇1（1988)
1.3定义
本标准采用下列定义。
1.3.1制动
能有效地降低风轮转速或使其停止转动的手段。1.3.2控制系统
接收风力机状况和其运行环境信号，调整风力机使其保持在限定范圖内运行的辅助装置。1.3.3切入风速（vin）
风力机开始输出有用功率时，在轮毂高度处的最小风速。1.3.4切出风速（Vout）
设计时规定的风力机输出有用功率时，在轮毂高度处的最大风速。国家质量技术监督局1998-12-21批准1999-10-01实施
1.3.5设计极限
设计中使用的最大或最小值。
1.3.6设计工况
GB 17646 --1998
机组可能发生的运行模式（如发电、停车等）。1.3.7外界条件
影响风力机运行的因素，包括风况和其他气象因素（雪、冰等）。1.3.8失效-安全
设计特性中的一项，即产生紧急故障时仍能保持设备的安全。1.3.9阵风
风速的瞬间变化。可以通过它的形成时间、强弱和持续时间来表示其特性。1.3.10水平轴风力机(HAWT)
风轮轴与风向基本平行的风力机。1.3.11轮毂
能将叶片或叶片组件安装在风轮轴上的装置。1.3.12轮毂高度
风轮中心距地面的高度，垂直轴的轮毂高度是指扫掠面中心离地面的高度。1.3.13急转
风力发电机慢速运转无功率输出的状态。1.3.14极限状态
载荷作用于结构上的一种状态，若超出此范围，则结构不再满足设计要求（见ISO2394）。注：设计计算（极限状态的设计要求）的目的是使极限状态保持在某一规定值范围之内的可能性，该规定值是由结构类型确定的（见ISO2394)。
1.3.15载荷情况
结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。1.3.16平均风速
在一给定的时间段内，瞬时风速的平均统计值，时间段可以从几秒钟到许多年。1.3.17机舱
设在水平轴风力机塔架顶部，内装有传动和其他装置的机壳。1.3.18停机
风力机正常关机以后的复位状态。1.3.19输出功率
以特殊的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率。注：由风力发电机组输出的电功率。1.3.20保护系统
使机组保持在设计极限范围内的安全保护装置。1.3.21额定功率
部件、装置或设备在规定的运行条件下能达到的功率，通常由制造厂给出。注：在正常运行条件下，机组设计能达到的最大连续电力输出。1.3.22额定风速（VR）
风力机达到额定功率时的特定风速。1.3.23参照极端风速（vexr）
50年一遇的在轮毂高度处10min最大平均风速。1.3.24风轮转速
风力机风轮绕其轴的旋转速度。1.3.25安全寿命
GB 17646 --1998
预定的工作年限，并应指明严重失效的概率。1.3.26关机
风力机处于发电与停转或空转间的变化过程。1.3.27支撑结构
风力机的塔架和基础部分。
1.3.28扫掠面积（用于水平轴风力机）风轮叶尖旋转运动所作的圆在垂直于风速矢量平面的投影面积。1.3.29端流强度
风速的标准偏差与平均风速之比，平均风速由某一给定时间周期内，从同组测出的风速采样数据中确定。
1.3.30风切变
在垂直于风向的平面内，风速随高度的变化。1.3.31风速
空间特定点上的风速，空气围绕该点的瞬时运动速度。1.3.32风力发电机组
将风能转变为电能的装置。
1.3.33调向（用于水平轴风力机）风轮轴围绕立轴的迥转。
1.4符号与单位
A截面积
Aproi垂直于风向平面上的投影面积B叶片数
Ca阻力系数
风轮与塔架中心之间的距离
从风轮重心到风轮旋转轴之间的距离F作用力
FtB、FyB、FB作用在叶片根部的力Fx-、Fy-和Fz-风轮轴上风轮连接点的作用力g重力加速度
h风轮轴距地面高度
IB叶片转动惯量
lrb风轮重心与前轴承的距离
M制动机械制动公称力矩
M、M、MB作用在叶片根部的力矩作用在风轮前轴承上的扭矩
Mx-轴
作用在风轮前轴承上的弯矩
MB-轴
叶片质量
风轮质量
机舱质量
风轮转速
[m·s-?]
[kg·m”]
[N·m]
[N·m]
[N·m]
[N·m]
[r·min-}]
风轮最大转速
额定风速时风轮转速
小型风力发电机组额定功率
额定风速时风轮轴转矩
R风轮半径
GB 17646 -1998
叶片重心与叶根和轮毂连接点的距离Rehar
材料强度
切人风速
切出风速
轮毂高度处的风速
额定风速
参照极端风速
截面系数
安全系数
额定风速时的叶尖速比
空气密度
设计强度（由设计载荷计算）
当量强度
「剪切强度
调向角速度
使用坐标系来定义载荷方向，如图1所示。采用说明：
1]原文为 s-l,应更改为rad·s\1。208
[r·min-]
[r·min-
[N·m]
EN·m-2]
Em·s-]
[m·s-i]
[m·s-1]
[m·s--]
[m·s-\]
[kg·m-3]
[N·m-2]
[N·m\?]
[N?m-?]
[N·m-?]
[rad ·s- 1
注：叶片坐标系随风轮旋转。
风轮轴坐标系随机舱旋转。
塔架坐标系是固定的。
缩略语
小型风力发电机组
HAWT水平轴风力机
2基本要素
2.1概述
GB17646—1998
Y叶片
图1水平轴风力机坐标系定义
工程完整性包括结构设计、机械、电气和控制系统，它应由本标准中有关设计、制造和质量管理的要求来达到。
机组的安装、运行和维护应用了现代综合技术，这些技术领城中所制定的安全程序都必须执行。2.2质量保证
质量保证应是机组和其所有部件的设计、完善和制造中的一个完整的部分，也是装配、安装、运行和维护文件中的个完整的部分。
建议质量保证系统应满足GB/T19001、GB/T19002和GB/T19003的要求。209
3外界条件
GB17646---1998
机组的设计应考虑本章所述的外界条件，这些条件取决于机组安装的预定场地和场地类型。规定了两种风力机等级；标准级和特殊级，标准级旨在满足大多数的应用场合，其参数能代表诸多不同场地的特征值，对哪些需要特定设计条件的地方应采用特殊级风力机。特殊级的外界条件参数值应由设计者规定和说明。
标准级应考虑如下外界条件：
一在轮毂高度处参照极端风速Vexr为35m·s-1,我国高寒地区为40m?s-l；--系统正常运行的温度范围，为一10℃到十40℃，我国高寒地区为--15℃到十35C；一一系统在极端情况下运行的温度范围，为一20℃到十50℃，我国高寒地区为一25℃到十45℃；-—相对湿度为 95%；
相当于未受污染的内陆大气，对我国高寒地区使用的机组应适当考虑大气中含沙尘的环境条件；
海平面空气密度p==1225kg·m-3。4结构设计
4.1概述
机组的结构设计应在对承载部件结构完整性进行验证的基础上进行，其结构组件的极限和疲劳强度应经过试验或计算来验证，以证实其结构安全性具有适度的安全指标。结构设计应符合ISO2394的有关规定。可接受的安全指标应经过计算或试验来验证，以证实其设计载荷不超过对应的设计抗力。4.2设计方法
达到工程完整性应经过计算和（或）试验的验证，试验条件的选择，包括试验载荷应考虑适当的安全指标。
应使用适当的设计方法进行计算，对任何复核试验的载荷指标应考虑与计算验证相一致的安全指标。
机组的设计应建立在外界条件设计值与机组相关的设计工况相结合的基础上。设计工况由载荷情况导出，考虑工程完整性应分析全部有关的载荷情况。应保证极限状态不超过风力机设计值，极限和疲劳极限状态要求考虑问题包括：一结构平衡，或作为刚体考虑的机组的任何部件的平衡破坏。一由于过度变型、断裂（包括因疲劳增加而引起的断裂）造成的失效或结构及其任何部件，包括支撑结构的稳定性遭到损坏。
4.3载荷
设计中应考虑下列载荷类型：
气动载荷
气动载荷是由气流相互作用在机组的静止部件和运动部件所形成的静、动载荷，气流取决于风轮的旋转速度、通过风轮旋转平面的平均风速、流、空气密度、气动外形和它们之间的相互作用，包括气动弹性的影响。
惯性和重力载荷
由于振动、旋转和重力作用于机组上的惯性力和重力载荷引起的静、动载荷。在载荷计算时应考虑相应的动态激励和各种振动模态耦合。4.4载荷情况
本条叙述了机组设计载荷情况的定义，并规定了应考虑载荷情况的最小值。210
GB 17646-1998
为了设计的目的，机组的寿命由一系列设计工况来划分，设计工况代表了机组可能经受的最重要的工作状况。在本标准中，这些设计工况由机组的各种运行模式确定。载荷情况应结合特定的设计情况和外界条件来确定，必须考虑各种类型的机组的所有相关载荷情况以及合理的发生概率，同时还应考虑控制和保护系统的性能状况。通常，用来确定机组结构完整性的设计载荷情况应结合正常设计工况以及正常和极端外界条件规定，机组在失效情况下的载荷情况应基于合理的发生概率基础上结合失效的设计工况和相应的外界条件来确定。
第4.5条介绍了一种简化载荷计算过程的实例，这种方法仅对刚性轮毂和悬臂叶片的水平轴风力机有效。为了减少计算量和简化计算，在本计算过程中仅仅考虑了载荷情况的限定值，如采用本方法，应在保守计算中考虑动态的影响。此外，确定载荷情况和载荷计算可按IEC1400-1进行，本计算仅用于小型机组。为简化计算考虑的载荷情况列于表1中。表1简化载荷计算方法的设计载荷情况设计工况
载荷情况
正常运行下的
周期性风载荷
电气负载丧失
正常关机
最小受风
最大受风
围绕UM周期性
变化风速
Vhub=UR
Uhub= Vexr
Vhub= VR
Vhub=1. 4Vexr
Vhub = Vexr
分析类型
极端载荷
极端载荷
极端载荷
极端载荷
极端载荷
功率在1.5Pr和0.5Pr之间交
替循环变化。风轮转速在1.5nR和0. 5 n袋 之间交替循环变化
最大可能的调向速度
在正常风速下测量转速推断到 exr制动力矩
正常停机位置
最大攻角范围
如果要求特殊级的机组设计，应考与安全有关的其他设计载荷情况。4.5简化载荷计算
表1中所列载荷情况计算方法叙述如下。4.5.1发电
考虑下列三种载荷情况。
4.5.1.1正常运行（载荷情况A）用于正常运行的载荷情况，假定设计载荷为疲劳载荷。确定叶片根部的受力和力矩，假设：气动力作用在叶片的Z轴上2/3R处；输出的电功率在1.5P到0.5PR之间周期性变化，PR是额定电功率；风轮速度在1.5nR到0.5nR间周期性变化。疲劳的范围设定为全幅值。
叶尖速比入（在额定风速时)值和风轮力矩QR（在额定风速时）由式(1)确定AR
RnR元
WR × 30
PR×30
nR元n
采用说明：
17 原文为9.5PR，应更改为0.5PR（1）
GB176461998
式中，如效率n未给出其值时，可采用0.8。叶根处的载荷
叶根处离心力由式(2)确定
FrB = 2mgRegB
叶根处弯矩由式(3)确定
AMrB =
?+ 2mggRegB
AMyB = AR
风轮轴上的载荷
风轮轴上推力的大小由式(4)确定AFx-
风轮轴上扭矩和弯矩的大小由式（5)确定AMx-轴 = QR
AMy-轴 = 2miglrh +
：（3）
（4）
（5）
4.5.1.2调向（载荷情况B）
对于调向载荷情况，其极端载荷（陀螺力和力矩）应假定发生在最大调向角速度mx时计算，对于最大调向角速度mx应采用设计值，并要尽可能采用测量的最大调向角速度值，如果得不到max的设计值或测量值时，在设计中,其最大角速度应设定为wmax=1 rad·s-1,简化计算设定为刚性轮毂。叶根处的载荷
调向时的最大弯矩由式(6)确定：AnR
MyE,max = mgwmaxeRegB -+ 2wmxI b30
其他力和力矩都较小，可假定为0。风轮轴上的载荷
对于两叶片风力机，风轮轴调向的弯矩由式（7)确定：Mg-期,max = 2BwmaxIg
+ mrglb -
RAFx一轴
（6）
对于三叶片和多叶片风力机，风轮轴调向的弯矩由式（8)确定：nr
Mg-轴,max BumaxI g
+mrglrb +
调向时，其他力和力矩很小或不在同一相位上，故可假设为0。(7Www.bzxZ.net
·（8)
4.5.1.3电气负载丧失（载荷情况C)当电气负载丧失时，最大可能运行的风轮转速nmax，应通过在正常风速下测量或计算卸荷风轮的转速，并按线性推导到Vexr。如果通过控制和保护系统的作用来限定风轮转速，在推断时应予以考虑。叶根处的载荷
叶根处离心力载荷由式（9)确定：Fas.mx = mpRe(\0)
/元nma
风轮轴的载荷
由于风轮在最大转速时的不平衡引起的风轮轴鸾矩，由式(10)确定：212
（9）
式中：e.=0.001R
4.5.2关机（载荷情况D)
MB-轴,max
GB 17646 -1998
（10）
在风力机传动系统中设有制动装置（机械制动，电气制动）的情况下，其制动力矩应大于最大驱动力矩，因此，机组的制动力矩M动应进行设计计算。叶根处的载荷
当机械关机时，叶根部前缘的弯矩由式11)确定：Mx-轴.m + mgReg
风轮轴的载荷
当关机时，轴上最大扭矩由式(12)计算：Mx一转,max = M动 +Q
在式（12)中，设定制动发生在发电机与负载连接的情况下。4.5.3停机
考虑下列两种载荷情况。
（11)
4.5.3.1机组正常停机（载荷情况E）在这种载荷情况下，风力机处于正常有利方式停机，大多数是处于最小受风作用，计算时机组的受风作用部分的载荷应假定为参照极端风速增加1.4倍阵风系数。作用在每个部件上的载荷：
式中：Ca-
推力系数（见图2）；
P(1· 4Vexr)?Aproi
Aproi—零部件在与风向垂直平面上的投影面积。（13)
4.5.3.2停机+故障（载荷情况F）调向机构处于故障的情况下，机组将处于来自任意方向的风力作用下，所以，设计时，这种载荷情况的计算应采用最不利的调向角度下的受风面积，当处于极端风速下停机状态时，机组零部件的受力应按式(14)确定：
作用在每个部件上的载荷
pUexr? Aproi
式中：Ca-
推力系数（见图2）；
零部件在与风向垂直平面上的投影面积（处于最不利位置时）。D或[<0.1m
D或1>0.1m
图 2 推力系数 Ca
..........( 14 )
4.6应力计算
由种载荷情况下的单个的力和力矩计算出的多个应力必须合成找出其等效应力，合成的等效应力必须同材料许用应力（见4.7)相比较。213
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