海上風(fēng)電用干式變壓器的設(shè)計

時連斌 陳 敏 申曉東 李 松 趙雙喜

（1.保定天威風(fēng)電科技有限公司，河北 保定 071051；2.保定天威順達(dá)變壓器有限公司，河北 保定 071051）

目前，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅猛。海上風(fēng)電由于其資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、對環(huán)境的負(fù)面影響較少并允許機(jī)組制造更為大型化，可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，一直受到風(fēng)電開發(fā)商的關(guān)注。

用于升壓并網(wǎng)的電力變壓器，由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特殊的運(yùn)行環(huán)境（高濕度、高鹽密度），不能再像陸上機(jī)組那樣采用油浸變壓器安裝在機(jī)組外部，而通常采用干式變壓器安裝在機(jī)艙內(nèi)，這樣既解決了整個機(jī)組的占地面積問題，避免了將變壓器安裝在較低位置所帶來的防護(hù)困難問題，同時變壓器靠近風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變壓器經(jīng)變流器直接將發(fā)電機(jī)發(fā)出的690V電升壓到35kV，大大降低了低壓電纜的使用量，從而降低了整個風(fēng)機(jī)的成本。

1 典型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組干式變壓器技術(shù)要求

額定容量：3300kVA（風(fēng)電機(jī)組容量3MW）；

額定高壓：35kV；

額定低壓：0.69kV；

聯(lián)接組別：Dyn11；

短路阻抗：8%；

絕緣等級：F；

溫升限值：100K；

絕緣水平：LI170AC70/AC3；

空載損耗：≤6700W；

負(fù)載損耗：≤25800W（75℃）；

冷卻方式：AF；

噪聲：≤78dB（A）（聲功率級）；

氣候等級：C2；

環(huán)境等級：E2；

燃燒等級：F1；

重量：≤8000kg

外形尺寸：≤2800mm×2000mm×2500mm（長×寬×高）。

2 變壓器設(shè)計方案

為了適應(yīng)在機(jī)艙內(nèi)運(yùn)行時嚴(yán)酷的氣候和環(huán)境條件，干式變壓器應(yīng)具有抗腐蝕能力強(qiáng)的特點。同時，干式變壓器安裝在海上風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)，維護(hù)和維修成本高，干式變壓器應(yīng)具有較高可靠性。由于樹脂澆注干式變壓器在耐環(huán)境、耐氣候和抗短路能力的性能上更為優(yōu)越，故首選此類干式變壓器。

2.1 本體設(shè)計方案

鐵心疊片采用冷軋取向電工鋼帶，45°全斜接五級接縫；高壓線圈采用分段圓筒式，采用真空澆注工藝；低壓線圈采用箔繞，設(shè)軸向氣道，采用預(yù)浸絕緣端部樹脂密封固化。

由于機(jī)艙尺寸的限制以及對載荷的要求，干式變壓器外形尺寸不能過大，重量不能過重。通常，采用銅繞組時，變壓器尺寸小，重量重；而采用鋁繞組時，變壓器尺寸大，重量輕。所以在電磁計算階段，要反復(fù)比較，滿足用戶使用要求。

2.2 防腐設(shè)計

一般變壓器，冷卻方式采用自冷或風(fēng)冷，變壓器外殼內(nèi)部空氣與機(jī)艙內(nèi)的空氣流通，機(jī)艙內(nèi)的高潮濕高鹽霧的空氣進(jìn)入變壓器外殼，造成變壓器結(jié)構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕。更為嚴(yán)重的是在這種環(huán)境下，變壓器絕緣表面的污穢物中可溶性物質(zhì)逐漸溶于水，表面上形成一層導(dǎo)電膜，使絕緣的絕緣水平大大降低，在電力場的作用下容易產(chǎn)生劇烈放點現(xiàn)象，即污閃，這是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)的主要可能因素之一。

圖1 被海鹽腐蝕的線圈

為了避免此問題，采用將變壓器安裝在防護(hù)等級大于IP44的外殼內(nèi)，使用內(nèi)部循環(huán)冷卻系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱交換的方案。這樣，變壓器本體防腐設(shè)計難度大大降低，防腐重點轉(zhuǎn)移到外殼上。

而外殼的防腐相對容易些，一般，采用專門的噴涂工藝，達(dá)到《ISO12994 Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems》中要求的C4等級。

2.3 抗振設(shè)計

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，機(jī)艙時刻都在振動，特別是機(jī)組偏航迎風(fēng)過程和制動過程中振動很大。所以，變壓器的抗振設(shè)計也非常重要。通過一些措施可減小變壓器器身變形和緊固件的松動：變壓器線圈澆注為一個剛體，使線圈自身具有良好的抗振能力；增加變壓器底墊腳的個數(shù)及固定螺栓的個數(shù)，對變壓器起到很好的固定作用；變壓器上夾件上安裝長螺桿與外殼頂部的支架相連，使變壓器與外殼成為一個整體，避免外殼的晃動。此外，變壓器上所有的緊固件均采用防松措施，避免變壓器部件的脫落和器身傾倒。

2.4 通風(fēng)散熱設(shè)計

在外殼上設(shè)置軸流通風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和熱交換裝置；在變壓器器身上設(shè)置導(dǎo)流板，如圖2所示。這樣，在變壓器運(yùn)行過程中，軸流風(fēng)機(jī)把外殼內(nèi)熱空氣吸入風(fēng)道，在熱交換裝置處進(jìn)行熱量交換，外部水泵和外部熱交換裝置通過水循環(huán)把熱量帶走，冷卻的空氣進(jìn)入外殼下部，在空氣導(dǎo)流板引導(dǎo)下，經(jīng)過變壓器主空道和低壓線圈內(nèi)部的氣道，對變壓器線圈進(jìn)行冷卻。

圖2 變壓器散熱結(jié)構(gòu)

顯而易見，變壓器的散熱不再是一個孤立的系統(tǒng)，它不僅與變壓器自身的散熱結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與軸流通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、熱交換裝置的散熱效率、外部水泵和外部熱交換裝置性能息息相關(guān)，這是一個復(fù)雜的大的系統(tǒng)。在樣機(jī)設(shè)計中，可結(jié)合計算機(jī)仿真分析，設(shè)定一定的溫升余量，待批量生產(chǎn)時根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計。

2.5 可維護(hù)性設(shè)計

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在近海海域，維護(hù)困難，維護(hù)費(fèi)用非常高。所以干式變壓器設(shè)計應(yīng)充分考慮其維護(hù)性。

外殼采取拼接結(jié)構(gòu)，可以方便的拆散，便于對變壓器大部件如高壓線圈等進(jìn)行更換；通風(fēng)散熱系統(tǒng)的軸流風(fēng)機(jī)使用壽命一般為40000h，為了保證機(jī)組發(fā)電量和可利用率，采用一用一備形式。

3 試驗驗證

經(jīng)過對SCB9-3300/35樣機(jī)測試，各項性能指標(biāo)滿足要求，見表1。

表1 SCB9-3300/35主要試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

考慮到海上風(fēng)電場的使用環(huán)境和安全性能要求，設(shè)計干式變壓器時應(yīng)重點對變壓器的防腐、抗振、通風(fēng)散熱、可維護(hù)性進(jìn)行特殊設(shè)計。

隨著海上風(fēng)力發(fā)電的持續(xù)升溫，用于海上風(fēng)力發(fā)電的干式變壓器市場將前景廣闊。