TE 连接器可优化风力涡轮机。

白皮书

可靠风电的连接

风力涡轮机具有复杂的结构,涉及不同职能领域中的大量电缆解决方案。作者:Eric F. Freid,自动化和控制部门行业销售经理

随着风电作为一种提供价格合理的绿色能源的主流技术大步向前发展,制造商、安装人员和运营商都希望能在安装和运行成本更低的情况下实现更高的效率。更快的安装速度、更高的可靠性以及更加简便的维护过程形成了风电的经济效益优势 – 快速实现涡轮机在线以及无中断地可靠运行都是关键的考虑因素。

随着风电行业的成熟,标准化也逐步成形。标准组织正开始制订出特定于风电涡轮机的标准。不论是在过去还是现在,大多数设计人员都致力于当前现成的技术(例如工业以太网)或广泛证实的方法(例如模块化工业连接器)。

即插即用 - 更低的成本和更高的可用性

风力涡轮机具有复杂的结构,涉及不同职能领域中的多个电缆解决方案系列。这些解决方案中包含将生成的电能传输至电网的高压电缆,还包含用于监控和 SCADA(数据采集与监视控制系统)的光纤和以太网电缆、用于偏航与俯仰的控制电缆以及用于电机和驱动装置的电源电缆。为加速和简化涡轮机系统的安装和维护过程,设计人员正转向更为“即插即用”的解决方案。设计的目标是在电缆安装解决方案中实现“即插即用”水平的便利性,从而加快风电系统中安装和维护的整体速度。 

典型要求

用于风力涡轮机的连接器

广泛的温度范围:-40°C 到 +125°C
耐振动和冲击性
屏蔽或非屏蔽
耐流体性
高达 IP67 的密封能力
防呆功能
利用正向密封实现快速连接/断开连接
模块化:满足所需信号、功率和光纤的能力
  • 广泛的温度范围:-40°C 到 +125°C
  • 耐振动和冲击性
  • 屏蔽或非屏蔽
  • 耐流体性
  • 高达 IP67 的密封能力
  • 防呆功能
  • 利用正向密封实现快速连接/断开连接
  • 模块化:满足所需信号、功率和光纤的能力
以单个接口应对混合型连接器

在简化风力涡轮机内整体电缆解决方案的过程中,制造商正逐步转向完善的工业连接器技术。该技术结合了三大特点:利用坚固的金属或复合护套实现稳固的机械结构、所接受的端子和电缆类型具有灵活的模块化插针,以及能够按需提供屏蔽和密封。

能够混合和匹配各种电缆 – 电机和驱动装置的供电电缆、绞合线对控制电缆、用于监控的仪表电缆等等 – 实现以一次性连接代替混合型连接器。

下图为 TE 的重载模块化连接器,是一种典型的稳固型工业强度连接器。框架空间内最多可使用六个单一模块或三个双倍模块。在许多风电应用中,重载模块化连接器允许用户在单个连接器中配置某个应用所需的准确接口,从而减少了所需接口的数量。

模块化工业连接器
模块化工业连接器允许信号、功率和光纤端接的线缆灵活混合。

接口模块

  • 高压端子,高达 3000 V(标称)
  • 大电流端子,高达 700 A
  • 高密度信号端子,单个模块中最多带 25 个端子
  • 同轴端子
  • RJ-45 模块化插头
  • USB
  • IEEE 1394 (FireWire)
  • Quadrax 端子,支持 1 GHz 的运行频率
  • 超小型 D 型接口
  • 高压端子,高达 3000 V(标称)
  • 大电流端子,高达 700 A
  • 高密度信号端子,单个模块中最多带 25 个端子
  • 同轴端子
  • RJ-45 模块化插头
  • USB
  • IEEE 1394 (FireWire)
  • Quadrax 端子,支持 1 GHz 的运行频率
  • 超小型 D 型接口
对电网的可用性

工业连接器的模块性让设计人员能够更加灵活地配置接口和电缆组件。通过调整插针的排列方式和防呆设计,电缆组件可以根据具体的应用实现“自定义”。偏航电机控制的连接器与俯仰电机控制的连接器不同,因此不会出现将电缆连接到错误的子系统的情况。

为了更方便地进行识别,可以对护套使用色码。对连接器使用色码以指明功能、电路或其他应用参数的功能可简化视觉识别的过程,并几乎实现万无一失。举个例子,个人计算机和视听系统已使用色码方法来识别鼠标、键盘、视频和音频端口很久了。在风电应用中使用色码方法可以为安装过程带来同样的便利性,从而提高系统可供电网使用的时间。

同样,模块化工业连接器通过对单个连接器系列进行标准化来满足多种需求,也实现了供应链的简化。虽然每个电缆应用都可能使用配置不同的连接器,但是部分模块可在多个应用之间共享。共享功能减少了必须储备的零件的数量,合并了制造电缆组件时必须精通的不同工艺。单个模块化连接器系列产生数千个可能的组合。您可以信赖此类连接器的供应商就您的特定应用提供的配置建议。另一个例子是,现在已经可以指定同一子系统的不同来源,因为每个来源在到达最终的装配点时都可以具有相应的插接连接器。

模块化的优势

模块化也正逐步成为塔中的常见方法。如今,许多制造商会在制塔工厂或现场将塔的每一个垂直截面通过导线连接起来。借助即插即用解决方案,由于每一个截面均提起并放置到位,电缆可以从一个截面轻松插入到另一个截面,无需使用要在现场完成多个装配步骤且耗时的机械螺栓型连接器。

最近一个体现模块化优势的示例是滑环组件,用于在集线器和发动机舱之间传输数据和电力。当环需要维修或更换时,大多数设计都需要花费时间来移除大量的电缆组件。这一过程很容易引起长达数天的停工期。而模块化程度更高的滑环组件设计则允许在数分钟的时间内断开电缆连接,从而更快地移除滑环。如今更换滑环的过程不再需要几天时间,几个小时即可完成。

IP67 工业以太网连接器
图 A。适用于严苛环境的 IP67 工业级以太网连接器。
Motorman 混合连接器
图 B。混合连接器结合了相同组件中的电力和信号。

涡轮机中的电压水平为较低的 600 V,因而能够使用任意数量的工业标准技术。多条电缆(可能为八至十条)将此低压提供给电站基底的升压变压器。在那里,连接器更多地来自能源行业,而非工业或通讯行业。接头中的压缩式端接或屏蔽端接都很常见。要考虑的重要事项是,需要接地、浪涌保护、电弧作用以及类似的现象,可将中压配电从其信号和低压插接部件中分离出来。

大多数配电连接都为直插式接或“T”型连接(图 C),以便进行分接。由于集电器网络位于地下,因此可靠性问题非常重要。发动机舱的机械元件取决于耐磨、精致的电子设备,与此不同的是,集电器网络并不需要关注是否具有与涡轮机自身达到同样便捷水平的维护过程。合理地安装之后,集电器网络就应能够正常工作数年。集电器网络中的故障会导致许多发电机离线。同样,从集电器网络到变电站的家用进料也可能导致整个风电场中断。

T 型连接器
图 C。利用 T 型连接器可将电能连接至集电器电网。
控制中心
图 D。控制中心使用标准结构的布线技术实现风电场和通讯上游的联网。
控制中心联网

不同涡轮机的通讯、监控和控制电缆都汇聚到控制中心以控制涡轮机,用于连接电网以及整个网络中的上游通讯。将单个涡轮机联网到集成网络中则表明使用与任意其他网络中类似的连接器和布线选择。利用结构化的布线系统,网络能够便利地管理,并能够适应连接到网络交换机和路由器以及控制系统计算机的基础设施的移动、添加和改动。机架安装配线架和光纤配线箱是一种通过按功能或电路来组织和互连电缆的方法。

不过,关键的一点是确认连接器和电缆与网速匹配。虽然类别 5e 绞合线对是数据速率最高为 1 Gb/ 的工业以太网常用的类型,但是如果要使用更高的数据速率,那么能够支持 10-Gb/s 联网的类别 6 和 6A 可能会是更合适的选择。类别 6 电缆具有巨大的性能峰值空间,可针对维护信号完整性提供出色的缓冲。由于控制中心是一种控制环境,因此例如密封或广泛的温度范围等问题都无需担心。标准结构化的布线元件通常都能正常工作。

风力涡轮机需要快速、高度可靠的连接解决方案。
风力涡轮机是一个复杂的装配体,包含机械元件、电机和驱动装置、控制装置以及传感器,所有部件均连接在一起从而实现可靠的发电。
风电“可用性”是选择连接器的关键

选择连接器时,重要是不是成本,而是风力涡轮机的正常运行时间和在线可用性。如今,风力涡轮机的制造商已不再着眼于元件的购置成本,而是考虑更为长远的生命周期成本。例如,利用恰当配置的电缆组件,可以显著地缩短风力涡轮机的安装时间。此外,这还能加快修理和维护的速度。相比离线风力涡轮机的成本,连接器或电缆解决方案的成本往往微不足道。