用于风力发电设备的连接器的简易安装与维护

• 即插即用的低成本与高可用性
• 应用工业以太网、光纤骨干网等

• 使用便于安装的工业连接器技术
• 恰当的线缆配置

随着风能行业不断趋于成熟，行业标准业已初露端倪。标准化组织已经开始对风力涡轮机研究制定标准规范。现在及过去，大部分设计师倾向于选择现有的成熟技术，如工业以太网或向模块化工业连接器这样已经得到广泛认可的产品。

即插即用带来更低的成本与更高的可用性

风力涡轮机的复杂构造需要针对不同功能子系统提供广泛的线缆解决方案。这些解决方案包括用于向电网传输电能的高压线缆;用于监控及SCADA(监控控制与数据采集)的光纤及以太网线缆;用于控制偏航与桨距的控制线缆;用于电机及驱动设备的电源线。为了加快涡轮机系统的安装速度并简化维护工作，设计师开始趋向于采用“即插即用”解决方案。这样做的目的是为充分发挥“即插即用”产品在线缆安装中的便捷性，从而加快整个风能系统的安装与维护。

为简化风力涡轮机内的全部线缆解决方案，制造商开始转向使用便于安装的工业连接器技术。该技术具有三大特性：由坚固的金属或复合材料外壳提供的可靠的机械结构，模块化插头提供灵活的触点及线缆适应性，能够满足防护或密封要求。风力涡轮机所用连接器的典型需求包括：大范围适用温度(-40~+125℃)，防震防冲击，有防护或无防护，防水，密封性能最高达到IP67，锁止性能，采用正向基座实现快速连接/断开和模块化(根据需要能够与信号、电源及光纤组件配合)。工业连接器技术能够适应并整合多种线缆——用于电机和驱动设备的电机供电线缆，用于控制的双绞线，用于监控的仪器线缆等——可以在同一接口上替换多种连接器。

图2所示为泰科电子的HVS连接器，该连接器为典型的工业级连接器。在该结构中可以容纳6组单模块及3组双模块。在多数风力发电应用中，HVS连接器使用户可以在单一连接器中配置一个应用所需的多种接口，从而有效降低所需接口数量。接口模块包括：高电压触点，标称最高可达3000V;高电流触点，最高可达400A;高密度单触点，单模块最高可达25个触点;同轴触点;RJ-45模块插头;USB;IEEE 1394 (火线);4同轴触点，可支持1GHz操作;D-Sub接口。

工业连接器的模块化设计给予了设计师在接口及线缆装配设计上极大的灵活性。通过对插头及锁止装置的设置，线缆装配完全可以根据具体应用而定制。用于偏航电机控制的连接器与用于桨距电机控制的连接器不同，使得线缆不会连接到错误的子系统上。颜色标识可以根据功能、电路或其他应用参数进行区分，从而实现通过视觉十分方便地进行分辨，从而可以缩短系统接入电网运行所需的时间。

模块化实现一个单连接器系列的标准化，从而使其可满足广泛的需求，因此能够简化供应链。虽然每种线缆应用可能需要不同配置的连接器，但一些模块可以同时被多种应用共享。这种可共享特性能够减少必要库存零件的数量，同时能够整合线缆装备中必要步骤的数量。一个单模块连接器系列能够提供上千种应用组合。你可以向连接器供应商咨询针对你的具体应用所需的部件配置。另一个实例是不同来源的子系统在到达装配地点后都能找到适宜的配对连接器，因而能够适用于子系统的多渠道供应。

能够说明模块化优势的另一个实例就是滑环的装配，滑环的作用是在中心与电机舱间传输数据与电能。在多数设计中，如果滑环需要维修或者更换则需要花费大量时间来断开众多线缆。完成这样操作至少需要停机若干天。而采用模块化设计，所有连接滑环的线缆可以在几分钟内断开，从而实现快速断开滑环。如今，更换滑环只需要几小时而不是几天。

工业以太网

工业以太网已经成为监测与控制风力发电系统的重要方式之一。如图3所示的IP67连接器，这样的密封式连接器能够提供高性能、高可靠性的服务。针对机柜内受保护的连接，如果没有特别的的密封要求，网线可以使用标准的5e类线或6类线。由于大量驱动设备与电机拥有更高水平的内置智能功能，因此需要如图4所示的混合型连接器，其在一个连接器内最多能够提供多达8个电源触点及以太网接口，并采用螺丝固定的机械连接方式，从而提供防震性。通过这样的产品，一个连接器即可传输信号与电力。

光纤骨干网

光纤凭借高带宽、长传数据路、低噪声干扰等特性，已成为风力涡轮机内部及其与风力电厂中心监控控制系统通信连接的最佳选择。而连接器的选择主要取决于应用参数的强度。光纤连接器能够像工业以太网铜连接器一样，提供密封的工业接口。

中压连接器

将涡轮机产生的电能传输到集电设备和从集电设备传输到风场变电站是两种不同的电压等级。涡轮机端产生的电压为600-700V，而在风力发电机塔底部将升压到22 kV到34.5kV(根据不同国家的标准)。一般7-10台涡轮机串连在一起，将升压后的电流传输到集电网络的起点或风场变电站。在变电站内，电压将再次提升至几百千伏用于大功率远距离输电。

由于涡轮机内电压低于600V-700V水平，因此可采用各种工业级技术。复合线缆(约8-10股)将这些低压电流传输到发电塔底部的升压变压器。从那里开始，连接器更多采用能源级产品而不是工业级或通信级。它们一般采用压紧或螺丝组装方式。中压电流传输与信号或低压电流传输的主要不同点在于需要更多考虑接地、电涌保护、短路保护以及其他问题。

多数电力传输连接器采用直线型连接或T型连接(如图5)。由于集电网络位于地下，可靠性尤为重要。与机舱的机械部件需要耐磨与精密电子等需求不同，集电网络不像涡轮机那样需要连接提供高速及简便维护性。安装完毕后，集电网络将工作多年。而集电网络的故障将导致许多发电机停机。同样，集电网络到变电站的连接故障将导致整个风力发电站瘫痪。

工业以太网已经成为监测与控制风力发电系统的重要方式之一。如图3所示的IP67连接器，这样的密封式连接器能够提供高性能、高可靠性的服务。针对机柜内受保护的连接，如果没有特别的的密封要求，网线可以使用标准的5e类线或6类线。由于大量驱动设备与电机拥有更高水平的内置智能功能，因此需要如图4所示的混合型连接器，其在一个连接器内最多能够提供多达8个电源触点及以太网接口，并采用螺丝固定的机械连接方式，从而提供防震性。通过这样的产品，一个连接器即可传输信号与电力。

联网控制中心

不同涡轮机的通信、监控及控制电缆都集中于控制中心，用于控制各涡轮机、与电网连接、通过互联网通信等。将各个涡轮机联网到集中网络所需的连接器和线缆选择与其他网络相同。基础线缆系统使网络具备管理更简便，并且能够适应连接网络交换机、路由器系统控制电脑的基础架构网络的迁移、扩容及变更等情况。机架式插座面板与光纤附件使用户可以根据功能和电路来组织和连接线缆。

这些问题的关键就是确保连接器与线缆能够满足网络速度的要求。5e类双绞线是工业以太网在数据传输率为1Gb/s以下的最佳选择，6类及6A类线适用于10 Gb/s网络，对于更高数据传输率应用也有更好的选择。6类线提供了额外的性能空间，为保证信号准确提供保障。由于控制中心的环境受到严格控制，因此密封、适用温度等问题并不重要。标准基础线缆部件即可满足要求。

风力发电“适用”是连接器选择的关键

价格不再是选择连接器的关键因素，正常运转时间与风力涡轮机的并网可用性才是选择的重点。如今，风力涡轮机制造商已从关注部件的采购成本转向其整个产品生命周期的成本。比如，恰当的线缆配置将大幅缩短风力涡轮机的安装时间，同样能加速维修与维护时间。实际上，相比风力涡轮机停机的成本，连接器或线缆解决方案的成本是微不足道的。

参考文献：

[1] Pikarl, Goldhahn D.World market for wind energy plants[R/OL]. BTM Consult ApS, March 2004. 

[2] World Wind Energy Association. World Wind Energy Report 2008[R]. February 2009

[3] Holttinen H, et al. Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power[C]. IEA Wind Summary Paper. Global Wind Power Conference September 18-21, 2006, Adelaide, Australia

[4] Demeo E A, Grant W, Milligan M R, et al. Wind plant integration[J]. Power and Energy Magazine, IEEE 3 (6): 38–46

[5] Zavadil R,Miller N, Ellis A,Muljadi E. Making connections[J]. Power and Energy Magazine, IEEE 3 (6): 26–37