本标准规定了风力发电机组(WTGS)在特定环境条件下，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，支撑结构以及电气连接设备。本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于40㎡的风力发电机组。 GB 18451.1-2001 风力发电机组 安全要求 GB18451.1-2001 标准下载解压密码：www.bzxz.net

GB18451.1—-2001
本标准的第5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。219
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：
88/98/FDIS
投票报告
88/103/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。220
1范围
中华人民共和国国家标准
风力发电机组
安全要求
Wind turbine generator systems--Safety requirementsGB 18451. 1-2001
idt IEC 61400-1: 1999
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40m2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（设备每相输入电流≤16A）(eqv IEC 61000-3-2:1995)
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炼的限制（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(idt IEC 61000-4-2:1995)
GB/T17626.31998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验(idtIEC 61000-4-3:1995)
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(idt IEC 61000-4-4:1995)
电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击)抗扰度试验GB/T 17626.5---1999
(idt IEC 61000-4-5:1995)
ISO2394：1986结构可靠性基本原理IEC60204-1：1997工业机械电气设备IEC60364（全部）建筑物电气装置IEC60721-2-1:1982环境条件分类第1部分：通用技术条件
第2部分：自然环境
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。
温度和湿度
3.1年平均 annual average
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(如季节变化等)平均在内。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局2001-09-15批准2002-04-01实施
GB 18451. 1--2001
3.2年平均风速 annual average wind speed按照年平均的定义确定的平均风速。3.3自动接通周期auto-reclosing cycle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0.01s到数秒的一段时间。
3.4锁定（风力机）blocking（wind turbines）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。3.5制动器（风力机）brake（wind turbines）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）catastrophic failure（wind turbines）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）characteristic value (of a material property)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complex terrain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）control system（wind turbines）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。3.10切人风速(vin）cut-in wind speed风力机开始发电时，轮毂高度（3.24轮毂高度）处的最低风速。3.11 切出风速(vout） cut-out wind speed风力机达到设计功率时，轮毂高度处的最高风速。3.12设计极限design limits
设计中采用的最大值或最小值。3. 13 潜在故障 dormant failure (also known as latent fault)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。
3. 15 电网 electrical power network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）emergency shutdown（wind turbines）保护系统触发或人工干预下使风力机的迅速关机。3.17环境条件environmental conditions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）external conditions （wind turbines）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）。3.19极端风速extreme wind speedt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 gust
GB 18451.1--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-时间，即幅度-持续时间表达。3.22水平轴风力机horizontal axis wind turbine风轮轴基本上平行于风向的风力机。3.23轮毂（风力机）hub-wind turbines将叶片或叶片组固定到轮轴上的装置。3.24轮毂高度（风力机）hub-height（wind turbines）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（wind turbines）风力机缓慢旋转而不发电的状态。3.26流惯性负区inertial subrange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 0.02 Hz到 2 kHz。3.27 孤立运行 isolated operation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limit state
结构受力的种状态，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(1SO 2394)。3.29 对数风切变律 logarithmic wind shear law表示风速随离地面高度以对数关系变化的数学式。3.30最大功率（风力机）maximumpower（wind turbines）正常工作条件下，风力发电机组输出的高净电功率。3.31 平均风速 mean wind speed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。3.32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。3.33电网联接点（风力机）network connection point（wind turbines）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巢系统总线的联接点。3.34正常关机(风力机）normal shutdown（wind turbines）关机全过程都是在控制系统控制下进行的关机。3.35工作范围operating limits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 parked wind turbine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（wind turbines）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。
3.38风切变幂律power law for wind shear表示风速随离地面高度以定律关系变化的数学式。3.39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。223
3.41额定功率rated power
GB 18451.1—2001
在正常的工作条件下，部件，装置或设备赋子的功率数。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）rated wind speed风力机达到额定功率输出时规定的风速。3.43瑞利分布Rayleigh distribution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(urer） reference wind speed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Urer设计的风力机，轮毂高度承受的50年一退10min平均最大风速应小于或等于Vref。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rotationally sampled wind velocity旋转风力机风轮上某一固定点经受的风矢量。注：旋转采样风矢量流谱与正常渊流谱有明显的不同。风轮旋转时，叶片切入气流，流谱产生空间变化。最终的流谱包括转动频率下的流谱和由此产生的谐。3.47风轮转速（风力机）rotor speed（wind turbines）风力机风轮绕其轴的旋转速度。3.48 粗糙长度 roughness length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0时推算出的高度。3.49　安全寿命　safe life
严重失效前的预期使用时间。
3.50定期维护scheduled maintenance严格按预定的日期表进行的预防性维护。3.51使用极限状态serviceability limit state规范管理中正常使用下的边界条件。3.52 静止 standstill
WTGS的停止状态。
support structure (wind turbines)3.53支撑结构（风力机）
由塔架和基础组成的风力机部分。3.54 安全风速 survival wind speed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）。3.55扫掠面积swept area
垂直于风矢量平面上的，风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。3.56湍流强度turbulence intensity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。3. 57 湍流尺度参数 turbulence scale parameter纵向功率谱密度等于0.05的无量纲的波长。注：由此，波长可以这样确定A=Whus/fo.式中foS,（fo)/a？=0.05。3.58　最大极限状态ultimate limit state224
GB18451.1—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
unscheduled maintenance
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vertical axis wind turbine风轮轴垂直的风力机。
3.62威布尔分布　Weibull distribution-种概率分布函数，见3.66（风速分布）。3.63风力田wind farm
见3.64（风电场）。
3.64风电场wind power station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。3.65风廓线，风切变律windprofile;wind shearlaw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)对数线(2)指数廊线。0(2) 0(Zt) X
v(Z) = U(Z) ×
式中：(Z)—高度Z处风速;
离地面高度；
Z，一一用于拟合风廊线的离地面标准高度；Z。-—--粗糙长度；
风切变指数(或幂）。
3.66风速分布wind speed distribution用于描述连续时限内风速概率分布的函数。z
注：通常应用的函数是瑞利分布函数Pr(v。)和威布尔分布函数Pw(v。）。Pr(vo) = 1 — exp- 元(vo/2Vave)\]Pw(vo) 1 -- exp[- (vo/C)*)
式中：P(o)-
[cr(1+
累积概率函数，也即Vave-—-—风速的平均值;
C—威布尔分布函数的尺度参数;k-—-威布尔分布函数的形状参数；如果=2
（1）)
（3）
（4）
F伽马函数。
C和二者均可由真值推算出。如果选择k一2，也即C和vave满足（4)式灵=2的条件，则瑞利分布225
函数与威布尔分布函数相同。
GB18451.1—2001
分布函数所表达的是小于风速的累积概率。如果估算到之间的分布，则式EP）一P()给出了\与V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 wind shear
风速在垂直于风向平面内的变化。3.68风切变律指数wind spear exponent通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。3.69风速wind speed
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）wind turbinegeneratorsystem将风的动能转换为电能的系统。3.71风矢量wind velocity
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；空间任意点的风失量，是“气体微团”通过该点的时间的导数。3.72WTGS电力系统WTGS electrical system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。
3.73 WTGS 终端 WTGS ferminalsWTGS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
yawing
风轮轴绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机）。3.75偏航角误差yaw misalignment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
α瑞流标准偏差模型斜率
C威布尔分布函数的尺度参数
Coh相干函数
D风轮直径
f频率
f。材料的计算应力值
fk材料的强度值
Fa设计载荷
Fk载荷值
15轮毂高度10min平均15m/s风速下的流强度值k威布尔分布函数的形状参数
K　修正的贝塞尔函数
1、均勾流整体尺度参数
相干尺度参数
速度分量的总体尺度参数
bini中疲劳循环次数
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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N极限状况出现周期
幸存概率
Pro）瑞利概率分布，也即<。的概率Pw（。）威布尔概率分布
分矢量投影值
S：bini内对应某一循环次数的应力（或应变)水平能谱密度分量谱
单面速度分量谱
阵风特性时间
Z高度风速
轮毂高度年平均风速
风轮扫掠面上极端相干阵风值
N年一遇极大风速(平均3s)期望值UeN
Ue1·Ue50分别表示-年遇和50年遇N年一遇极大阵风期望值
UgustN
轮毂高度10min平均风速
切风速
风速分布模型中极限风速
切出风速
额定风速
10min平均参考风速
Uty,t,t)
用于描述瞬时水平风切变的纵向风速分量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W(.n)
又，y，用于描述风场的坐标系，分别为纵向风，横向风和垂向风Zhub风力机轮毂高度
离地面参考高度
Z。对数风廓线的粗糙长度
风切变指数
最大风向变化模型参数
变化系数
伽马函数
载荷安全系数
材料安全系数
损伤安全系数
[m2/s?]
[m2/s?]
g(t）风向变化过渡过程
GB 18451.1—2001
0.阵风方向与平均风速方向最大偏离0N年一遇最大风向变化
A，由波长确定的流尺度参数，无量钢，纵向能谱强度fS,（)/c2等于0.05a轮毂高纵向风速标准偏差
okk轮毂高风速分量标准偏差（k一1，2或3）4.2缩写
Λ异常（安全系数）
a.c交流电
（使用性制约
d.c直流电
设计载荷情况
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
最大风速模型
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正常瑞流模型
S IEC WTGS 分类
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。228wwW.bzxz.Net
5.3安全等级
GB 18451.1—2001
WTGS可按下面两种安全等级中的一种进行设计：“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的安全系数必须由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WTGS5.4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；
型式和产品编号；
生产日期；
一额定功率；
参考风速Vref;
轮毂高工作风速范围，inout
工作环境的允许温度范围；
.-WTGS的等级（见表1）；
\—-WTGS输出端额定电压；
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
6.1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、耐久性、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流参数。分级是想要达到最大限度应用的目的，使风速和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规定了确229
定WTGS等级的基本参数。
GB18451.1-2001
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，这个等级定为S级。S级WTGS的设计值由设计者选取，并在设计文件中详细说明。特定设计中，选取的设计值所反应的环境条件要比预期的用户使用环境更为恶劣。近海安装的风力机的特殊外部条件要求WTGS的设计为S级。表1各等级WTGS基本参数
WTGS等级
Iis［-]
α［］
BIi［-}
α［」
表中：各数值应用于轮毂高。
A表示较高流特性级，
B表示较低流特性级，
I15流强度15m/s时特性值，
4公式(7)中斜度参数。
由设计者规定各参数
除了基本参数以外，在WTGS的设计中还需要一些更重要的参数规定外部条件。后面称之为WTGS标准等级的1^～Nz中增加的参数在6.3,6.4和6.5条中加以说明。设计寿命应为20年。
对S级WTGS，制造广应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用第6章的模型，对其参数值应作充分的说明。S级WTGS的设计文件包含附录A所列内容。6.3风况
WTGS应设计成能安全承受由其等级决定的风况。风况的设计值须在设计文件中明确规定。从载荷和安全角度出发风况可分为WTGS正常工作期间频繁出现的标准风况和一年或50年-一遇的极端风况两种。
在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8°的影响。假定此夹角大小不随高度改变而变化。6.3.1正常风况
6.3.1.1风速分布
场地的风速分布对WTGS的设计是至关重要的，因为它决定各级载荷出现的频率。对标准等级的WTGS计算设计载荷时，10min平均风速按瑞利分布计算。此时轮毂高概率分布为：Pr(Unub)= 1-exp[— 元(Uhub/2uax)\](5)
6.3.1.2正常风廓线模型（NWP）风线\(Z)表示的是平均风速随离地高度Z变化的函数。WTGS的标准级，正常风廓线假定按：V(Z) = Vhub(Z/Zhub)a
指数α假定为0.2。
风廓线用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风速切变。6.3.1.3正常湍流模型（NTM)
（6）
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