GB 18451.1-2001 风力发电机组 安全要求

GB18451.1-2001

前言

本标准的第s章、第8章、第9章、第10章为强制性的，其他为推荐性的。

本标准等同采用IEC61400-1:1999《风力发电机组安全要求》

本标准的编写格式和规则符合GB/T1.1-1993，保留了IEC61400-1:1999的前言和引言，同时增

加了本标准的，’前言”。

本标准的附录A、附录B和附录C是标准的附录。

本标准由全国风力机械标准化技术委员会提出。

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:全国风力机械标准化技术委员会秘书处。

本标准主要起草人:王建平、李秀荣。

GB18451.1-2001

IEC前言

1)IEC(国际电工委员会)是由各国电工委员会((IEC国家委员会)组成的世界标准化委员会组织。

IEC的宗旨是促进电气和电子领域有关标准化问题的国际间合作为了这个宗旨开展其活动。IEC发布

国际标准，标准的制定工作委托给技术委员会;任何IEC国家委员会对涉及的项目感兴趣的话，都可以

参加该项目的制定工作。与IEC建立了联络关系的国际的、政府的和非政府的组织均可参加制定工作

IEC与国际标准化组织((ISO)根据两个组织间确立的协议条件，密切合作。

2)IEC技术问题的正式决议和协议，尽可能地表达了国际间对有关项目一致的观点，因为每个技

术委员会都是由对该问题感兴趣的国家委员会代表组成的。

3)制定的文件推荐给国际上使用，并以正式标准形式，技术报告形式或技术指导文件形式发布。这

些文件，在某种意义上讲，要由各国家委员会认可。

4)为了促进国际间的统一，各IEC国家委员会应明确，在其国家和地区性标准中应最大限度地采

用IEC国际标准。IEC国际标准与相应的国家或地区性标准之间的差异，都应在后者给以明确指出。

5)IEC不提供其标准制定及批准过程说明，也不对任何设备宣称的与某一标准相一致的说明承担

责任。

6)应注意本国际标准的某些部分属于专利项目的可能性。IEC不负鉴别这些专利项目的责任

国际标准IEC61400-1是由IEC第88技术委员会:风力发电机组工作组制定的。

IEC61400-1第二版代替1994年发布的第一版，第一版取消。

该标准版本基于下列文件:

FDIS投票报告

88/98/FDIS88八03/RVD

关于赞同本标准的完整信息，可在上表指出的投票报告中找到。

附录A,B和C是本标准必要的部分。

日后，本标准将用两种文字发布。

IEC引言

本标准概述了风力发电机组最低的安全要求，它不能作为完整的设计规范或结构设计手册来使用。

经适当论证后，认为取消某条要求不会牺牲机组安全，那么这条要求就可以放弃。但这一原则不适

于第6条

使用本标准，并不意味着任何个人，组织或团体可以不遵守其他适用的标准或法规。

中华人民共和国国家标准

GB18451.1--2001

风力发电机组安全要求idtIEC61400-1:1999

Windturbinegeneratorsystems--Safetyrequirements

1范围

本标准规定了风力发电机组(WTGS)在特定的环境条件下，设计、安装、维护和运行中的安全要求。

本标准涉及到风力发电机组各子系统，如控制和保护机构，内部电气设备，机械系统，支承结构以及

电气联接设备。

本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于40m，的风力发电机组。

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。

GB17625.1-1998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输人电流<16A)

(eqvIEC61000-3-2:1995)

GB17625.2-1999电磁兼容限值对额定电流不大于16A的设备在低压供电系统中产生的

电压波动和闪烁的限制(idtIEC61000-3-3:1994)

GB/T17626.2-1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验

(idtIEC61000-4-2:1995)

GB/T17626.3-1998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验

(idtIEC61000-4-3:1995)

GB/T17626.4-1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

(idtIEC61000-4-4:1995)

GB/T17626.5-1999电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验

(idtIEC61000-4-5:1995)

ISO2394:1986结构可靠性基本原理

IEC60204-1:1997工业机械电气设备—第1部分:通用技术条件

IEC60364(全部)建筑物电气装置

IEC60721-2-1:1982环境条件分类—第2部分:自然环境—温度和湿度

IEC61024-1:1990建筑物防雷设计规范

IEC61312-1:1995雷电电磁脉冲防护

3定义

本标准采用下列定义。

3.1年平均annualaverage

数量和持续时间足够长的一组测量数据的平均值，供作估计期望值用。时间周期应是一个完整的年

数，以便将不稳定因素叻fl季V2鳖)王鱼生一一一一一一一一一一一———一

中华人民共和国国家质.监督检验检疫总局2001一09-15批准2002-04-01实施

Gs18451.1--2001

3.2年平均风速annualaveragewindspeed

按照年平均的定义确定的平均风速。

13自动接通周期auto-reclosingcycle

故障消除后电网重新接通且WTGS也重新接通电网后，离合器松开需要的从。.01s到数秒的一

段时间。

3.4锁定(风力机)blocking(windturbines)

利用机械销或其他装置(而不是通常用的机械制动盘)防止风轮轴或偏航机构运动。

15制动器(风力机)brake(windturbines)

能降低风轮转速或能停止风轮旋转的装置。

3.6严重故障(风力机)catastrophicfailure(windturbines)

零部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受损。

3.7特性值(材料性能)characteristicvalue(ofamaterialproperty)

材料具有的规定的概率值，这个值不是由假定的无限次试验获得。

3.8复杂地形带complexterrain

风电场场地周围属地形显著变化的地带或有能引起气流畸变的障碍物地带。

3.9控制系统(风力机)controlsystem(windturbines)

接受风力机或其他环境信息，调节风力机，使其保持在工作要求范围内的系统。

110切人风速(v;)cut-inwindspeed

风力机开始发电时，轮毅高度((3.24轮毅高度)处的最低风速。

3门1切出风速(v)cut-outwindspeed

风力机达到设计功率时，轮毅高度处的最高风速。

3.12设计极限designlimits

设计中采用的最大值或最小值。

3.13潜在故障dormantfailure(alsoknownaslatentfault)

正常运行中未被发现的系统或部件的故障。

3.14下风向downwind

主风方向

115电网electricalpowernetwork

用于输送和分配电能的专用设备、变电站、电线电缆。

注:电网各组成部分之间的界限由适当的判别标准如地理位置，所有权归属，电压级别等来确定.

3.16紧急关机(风力机)emergencyshutdown(windturbines)

保护系统触发或人工千预下使风力机的迅速关机。

117环境条件environmentalconditions

影响WTGS工况的环境特征(海拔高度，温度，湿度等)。

3.18外部条件(风力机)externalconditions(windturbines)

影响风力机工作的诸因素，包括风况，电网条件和其他气象因素(温度、冰、雪等)。

3门9极端风速extremewindspeed

t秒内的平均最高风速，它可能是N年一遇(重现周期N年)。

注本标准采用的重现周期N=50年和N=1年，采用的时限T=3s和T=10s,极端风速即为俗称的“安全风

速”

3.20故障风险fail-safe

避免由故障引发产品严重破坏的设计特性。

3.21阵风Rust

GB18451.1一2001

超过平均风速的突然和暂短的风速变化。

注:阵风可用它的上升一时间，即幅度一持续时间表达。

3.22水平轴风力机horizontalaxiswindturbine

风轮轴基本上平行于风向的风力机。

3.23轮毅(风力机)hub-windturbines

将叶片或叶片组固定到轮轴上的装置。

3.24轮毅高度(风力机)hub-height(windturbines)

从地面到风轮扫掠面(见3.55扫掠面积)中心的高度。

3.25空转(风力机)idling(windturbines)

风力机缓慢旋转而不发电的状态。

3.26湍流惯性负区inertialsubrange

风速湍流谱的频率区间，此区间内涡流经逐步破碎达到均质，能量损失忽略不计。

注:在典型的10m/s风速，惯性负区的频率范围大致从0.02Hz到2kHz

3.27孤立运行isolatedoperation

离网后，分离的动力系统稳定的或是暂时的运行

3.28极限状态limitstate

结构受力的一种状态，如果作用力超过这一状态，则结构不再满足设计要求((ISO2394)

注:设计计算(即极限状态的设计要求)的目的是使结构达到极限状态的概率小于结构规定值(ISO2394)

3.29对数风切变律logarithmicwindshearlaw

表示风速随离地面高度以对数关系变化的数学式。

130最大功率(风力机)maximumpower(windturbines)

正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。

3.31平均风速meanwindspeed

给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间可从几秒到数年不等。

132机舱nacelle

设在水平轴风力机塔架顶部，包容传动系统和其他装置的部件。

133电网联接点(风力机)networkconnectionpoint(windturbines)

对单台风力机组是输出电缆终端，而对风电场是电网与电力汇集系统总线的联接点。

134正常关机(风力机)normalshutdown(windturbines)

关机全过程都是在控制系统控制下进行的关机。

135I作范围operatinglimits

由WTGS设计者确定的支配控制系统和安全防护系统的诸多条件。

3.36风力机停机parkedwindturbine

根据风力机结构的不同，决定是采用静止或是空转的停机状态。

3.37电力汇集系统(风力机)powercollectionsystem(windturbines)

汇集一个或多个风力发电机组电能的电力联接系统。它包括WTGS终端与电网联接点之间的所有

电气设备。

138风切变幂律powerlawforwindshear

表示风速随离地面高度以幕定律关系变化的数学式

139功率输出poweroutput

通过专用设备将电能输送给用电设备的过程。

3.40保护系统(风力机)protectionsystem(windturbines)

确保WTGS运行在设计范围内的系统。

Gs184511-2001

3.41额定功率ratedpower

在正常的工作条件下，部件、装置或设备赋予的功率数。

注:(风力机)正常工作条件下，WTGS设计要达到的最大连续输出电功率。

3.42额定风速(v,)ratedwindspeed

风力机达到额定功率输出时规定的风速。

3.43瑞利分布Rayleighdistribution

经常用于风速的概率分布函数，分布函数取决于形状参数和尺度参数，它控制平均风速分布(见

3.66)

3.44参考风速(:,f)referencewindspeed

用于确定WTGS级别的基本极端风速参数。与气候相关的其他设计参数均可从参考风速和其他基

本等级参数中得到见〔第6章)。

注:用参考风速娠设‘计的风力机，轮毅高度承受的S。年一遇10min平均最大风速应小于或等于v,ef

3.45共振resonance

振动系统中出现的一种现象，此时强迫振动频率非常接近振动系统固有振动频率。

3.46旋转采样风矢量rotationallysampledwindvelocity

旋转风力机风轮上某一固定点经受的风矢量。

注:旋转采样风矢量湍流谱与正常油流谱有明显的不同。风轮旋转时，叶片切人气流，流谱产生空间变化最终的

湍流谱包括转动频率下的流谱和由此产生的谐量。

3.47风轮转速(风力机)rotorspeed(windturbines)

风力机风轮绕其轴的旋转速度。

3.48粗糙长度roughnesslength

在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化的情况下，平均风速变为。时推算出的高度。

3.49安全寿命safelife

严重失效前的预期使用时间。

3.50定期维护scheduledmaintenance

严格按预定的日期表进行的预防性维护。

151使用极限状态serviceabilitylimitstate

规范管理中正常使用下的边界条件。

152静止standstill

WTGS的停止状态。

153支撑结构(风力机)supportstructure(windturbines)

由塔架和基础组成的风力机部分。

154安全风速survivalwindspeed

结构能承受的最大设计风速的俗称。

注:本标准不采用这一术语，设计时可参考极端风速(见3.19).

155扫掠面积sweptarea

垂直于风矢量平面L的，风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。

156湍流强度turbulenceintensity

标准风速偏差与平均风速的比率，用同一组测量数据和规定的周期进行计算

157湍流尺度参数turbulencescaleparameter

纵向功率谱密度等于。.05的无量纲的波长。

注:由此，波长可以这样确定n,=m.e/f，式中f.S,(f)/a,,=0.0s,

158最大极限状态ultimatelimitstate

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GB184511-2001

通常指风力机处于能承受最大载荷的极限状态，即与损坏和可能造成损坏的错位或变形对应的极

限状态。

3.59不定期维护unscheduledmaintenance

不是根据确定的时间表，而是根据对某一状态的迹象而确定的临时性维护。

3.60上风向upwind

主风方向的相反方向。

3.61垂直轴风力机verticalaxiswindturbine

风轮轴垂直的风力机。

162威布尔分布Weibulldistribution

一种概率分布函数，见3.66(风速分布)

3.63风力田windfarm

见3.64(风电场)。

3.64风电场windpowerstation

由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站，通常称风电场。

365风廓线;风切变律windprofile;windshearlaw

风速随离地面高度以对数关系变化的数学式。

注:通常应用(1)对数廓线(2)指数廓线。

__ln(Z/Z)

v(乙)=v(ZJX一·11)

ink乙r/乙of

__._、{2}口，_、

v(乙)=v(Z,)X}二{··L)

、乙r)

式中:v(Z)一一高度Z处风速;

Z-离地面高度;

z一一用于拟合风廓线的离地面标准高度;

Z。一一粗糙长度;

a一一风切变指数(或幂)。

366风速分布windspeeddistribution

用于描述连续时限内风速概率分布的函数。

注:通常应用的函数是瑞利分布函数Pa(vu)和威布尔分布函数Pw(v.)e

Pa(vo)=1一exp[一二(vo/2v)z]··……(3)

Pw(V.)=1一exp一「(vo/C)k]

.

1

厂

_}Cr,1-··..··············。。。·。…(4)

.

{，、J二-勺

-

︺

.

(七一2，如果k

式中P(vo)—累积概率函数，也即VGv。的概率

-一一风速(极限);

-一一风速的平均值;

C-一威布尔分布函数的尺度参数;

k一威布尔分布函数的形状参数;

P-—伽马函数。

C和k二者均可由真值推算出。如果选择k=2，也即C和v.-满足(4)式k=2的条件，则瑞利分布

GB184511-2001

函数与威布尔分布函数相同。

分布函数所表达的是小于v。风速的累积概率。如果估算二到二:之间的分布，则式[P(")-P(vz)]

给出了:，与二:间的各风速对时间的分布函数。对分布函数求导就能得出相应的概率密度函数。

3.67风切变windshear

风速在垂直于风向平面内的变化。

3.68风切变律指数windspearexponent

通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。

3.69风速windspeed

空间特定点的风速为该点周围气体微团的移动速度。

注:风速即风矢量的数值(见3.71风矢量)。

3.70风力发电机组(WTGS)windturbinegeneratorsystem

将风的动能转换为电能的系统。

3.71风矢量windvelocity

标有被研究某点气体微团运动方向，其值等于“气体微团”运动速度(即该点风速)的矢量。

注:空间任惫点的风矢盆，是“气体微团’，通过该点的时间的导数。

3.72WTGS电力系统WTGSelectricalsystem

所有WTGS内部电气设备到WTGS的终端，包括接地、连接、通讯设备。由风力发电机到地线网络

的一段导线也包括在内。

3.73WTGS终端WTGSterminals

WTGS供电器上的一点，通过它WTGS被接到电力汇集系统上。它还应包括为输送电能和通讯目

的的连接。

3.74偏航yawnig

风轮轴绕垂直轴的旋转(仅适用于水平轴风力机)。

175偏航角误差yawmisalignment

风轮轴线偏离风向的水平偏差。

4符号和缩写

4.1符号和单位

u湍流标准偏差模型斜率m[C-/s一

C威布尔分布函数的尺度参数

Coh相干函数

仁m]

D风轮直径

厂频率[s一’口

仁一〕

fd材料的计算应力值

[一〕

f、材料的强度值

「一〕

Fd设计载荷

仁一]

F,载荷值

I,轮毅高度10min平均15m/s风速下的湍流强度值一〔〕

k威布尔分布函数的形状参数仁一〕

[一〕

K修正的贝塞尔函数

仁m口

I,均匀湍流整体尺度参数

GB184511-2001

I,。相干尺度参数仁m口

I,、速度分量的总体尺度参数[m]

n;bini中疲劳循环次数一「]

N<.)由于应力(或应变)作用失效的理论循环次数(也即s-N)曲线一「马

N极限状况出现周期[a口

P幸存概率一〔]

尸R(二。)瑞利概率分布，也即二<v。的概率一「口

Pw(vo)威布尔概率分布[一j

r分矢量投影值[m口

S;bini内对应某一循环次数的应力(或应变)水平[一口

S,(()能谱密度分量谱Lm'/S2]

Sk单面速度分量谱[m,/s2]

T阵风特性时间仁s口

Is]

t时间

[m/s]

V风速

仁m/s]

v,Z高度风速

[m/s]

二，轮毅高度年平均风速

v,，风轮扫掠面上极端相干阵风值[m/s]

v,NN年一遇极大风速(平均3s)期望值

二。,.v、分别表示一年一遇和50年一遇[m/s]

。二。、N年一遇极大阵风期望值仁m/s]

vhub轮毅高度10min平均风速[m/s]

v,。切人风速[m/s]

v。风速分布模型中极限风速[m/s口

v.，切出风速仁m/s]

[m/s]

v,额定风速

v,10min平均参考风速[m/s]

二，，〕用于描述瞬时水平风切变的纵向风速分量[m/s习

v.用于描述极限阵风瞬时变化和风切变状况的纵向风速分量[m/s]

二，y,.用于描述风场的坐标系，分别为纵向风，横向风和垂向风[m口

Zn.、风力机轮毅高度仁m]

Z离地面参考高度[m]

[m]

Z。对数风廓线的粗糙长度

[一〕

a风切变指数

[一]

a最大风向变化模型参数

巨一〕

8变化系数

[一习

P伽马函数

一「]

Y，载荷安全系数

[一己

Ym材料安全系数

[一〕

Y。损伤安全系数

GB184511-2001

0(t)风向变化过渡过程[。]

0,阵风方向与平均风速方向最大偏离[。]

0,N年一遇最大风向变化。「]

n.由波长确定的湍流尺度参数，无量钢，纵向能谱强度fS,(f)/a,,等于。.05[m习

轮毅高纵向风速标准偏差[m/s]

k轮毅高风速分量标准偏差((一1>2或3)[m/s刁

4.2缩写

八异常(安全系数)

交流电

C使用性制约

d.c直流电

DI,C设计载荷情况

ECD方向变化的最大相干阵风

ECG最大相干阵风

EDC最大风向变化

EOG最大工作阵风

EWM最大风速模型

EWS最大风切变

F疲劳

HAWT水平轴风力机

N正常的或最大(安全系数)

NWP正常风速廓线模型

NTM正常湍流模型

SIECWTGS分类

T运输和安装(安全系数)

U极限

VAWT垂直轴风力机

WTGS风力发电机组

5基本要素

5.1概述

为了保证WTGS机构、结构、电气系统和控制系统的安全，在下面的条款中给出了技术要求这些

技术要求应用于WTGS的设计、制造、安装和维护以及相关的质量管理过程。此外，已有的WTGS的安

装、运输和维护要求中的各种安全规程也必须遵守。

5.2设计方法

本标准要求采用结构动力学模型，以便预测设计载荷。这个模型应用第6章指出的湍流和其他极端

风况以及第7章规定的设计状况来确定风力机工作风速范围内的载荷。应对规定的外部条件与设计工

况和载荷情况的所有相关组合进行分析。以确定具体型号WTGS设计载荷组。

WTGS的整体结构试验数据，能提高设计数据的可信度，并能验证结构动力模型设计的合理性。

应通过计算和试验来验证设计的合理性。如果用试验验证，则试验时的极限条件必须满足本标准规

定的特性值与设计状况。试验条件的选择，包括试验载荷在内，必须考虑相关的安全因素。

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5.3安全等级

WTGS可按下面两种安全等级中的一种进行设计:

一一一般安全等级，当失效的结果可能导致人身伤害，或造成经济损失和产生社会影响时，采用这

一等级;

—特殊安全等级，当安全取决于局部调整或制造厂与用户二者协商决定时，采用这一等级。

一般等级WTGS的安全系数，本标准7.6条详细说明。特殊等级WTGS的安全系数必须山制造厂

与用户协商同意。根据特殊安全等级设计的WTGS即为6.2条定义的S级WTGSo

5.4质量保证

质量保证是WTGS及其零部件设计、采购、制造、安装、运行和维护的主要部分

建议质量体系遵照相关国家标准要求。

5.5风力机铭牌

下列内容应突出明显地标示在永久性的产品铭牌上:

WTGS的制造厂和国家;

-一型式和产品编号;

—生产日期;

—额定功率;

—参考风速二mr;

轮毅高工作风速范围，二n一、u;

-一工作环境的允许温度范围;

-W'rGS的等级(见表1);

--WTGS输出端额定电压;

一WTGS输出端频率或频率范围，通常额定频率偏差大于2%时，为频率允许变化范围。

6外部条件

6门概述

在WTGS的设计中应考虑本章阐述的外部条件。

WTGS要承受环境和电对它的影响，这些影响主要体现在载荷、使用寿命和正常工作等几个方面。

为保证一定的安全性和可靠性水平，在设计中要考虑到环境、电力和土壤参数并在设计文件中予以明确

规定。

环境条件可进一步划分为风况和其他外部条件。电力的条件则可参照电网条件。土壤特性关系到

WTGS的基础设计。

各类外部条件可再细分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件通常涉及的是长期结构载

荷和运行状态。极端外部条件出现机会很少，但它是潜在的临界外部设计条件。设计载荷情况由这些外

部条件与风力机运行模式结合而构成。

对结构整体而言，风况是最基本的外部因素。其他环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、耐久

'It.I锈蚀等有影响。

根据WTGS安全等级的要求，设计中要考虑正常和极端条件，详见下列相关条款。

6.2风力发电机组分级

设计中要考虑的外部条件由WTGS安装场地类型决定。而WTGS等级又取决于风速和湍流参数。

分级是想要达到最大限度应用的目的，使风速和湍流参数在不同的场地大体再现，而不是与某一特定场

地精细吻合，见11章。总的目的是要得到明显由风速和湍流参数决定的WTGS的等级。表1规定犷确

GB184511-2001

定WTGS等级的基本参数。

在这些情况中，需要一个特定的(例如特定风况或特定外部条件或一个特定安全等级，见5.3)更高

的WTGS等级，这个等级定