海上升壓站主變壓器的選擇研究

李潤源 陸軼祺 解大

摘 要： 主變壓器作為海上升壓站的心臟，具有極其重要的地位。主變壓器出現各種故障后，既可能造成風電場發電效益損失，也會引發短路造成財產和人員損失，因此變壓器的安全運行是非常重要的。本文以具體的400MW海上風電場為例從環境及安裝、容量、臺數、繞組、相數、調壓與冷卻方式等方面針對如何合理選擇主變壓器進行分析，并針對繞組數量的不確定性進行了低壓側雙分裂繞組以及雙繞組變壓器的短路電流校驗。推薦400MW海上風電場海上升壓站安裝2臺容量為240/120-120 MVA，220/35-35kV的三相、銅繞組、自然油循環自冷卻型、油浸式、低損耗、低壓側雙分裂、有載調壓升壓式電力變壓器。

關鍵詞： 海上升壓站;變壓器;雙分裂繞組;短路電流計算

根據我國《可再生能源發展“十三五”規劃》，截至2020年，我國海上風電開工建設目標規模10GW，確保并網5GW。“十三五”以來，國內海上風電開發規模越來越大，逐漸向更深更遠的海域進軍，由于35kV線路損耗、電壓降、傳輸容量和海域使用面積增大等問題，傳統的設置陸上升壓變電站結合35kV海纜集電線路的方案經濟技術上已不可行。在海上設置一座海上升壓站匯集35kV集電線路后通過220kV海纜送出已成為主流建設方案。主變壓器作為海上升壓站的心臟，具有極其重要的地位。主變壓器出現各種故障后，既可能造成風電場發電效益損失，也會引發短路造成財產和人員損失，因此變壓器的安全運行是非常重要的。目前海上風電場主流開發規模已由早期的100MW、200MW發展到現在的400MW容量。

截止到2013年，全球海上風電的總容量已經達到7045.9MW。[1]雖然海上風電發展迅速，并且擁有著環境友好，占地面積小的優勢;造假昂貴以及較低的可靠性仍然限制了海上風電在全球范圍內的普及。因此海上風場的建設研究主要集中于合理布局以及設備的可靠性方面。

為了提高海上風電的可靠性，提供有效的海上升壓站主變電站選擇方案。本文以具體的400MW海上風電場為例從環境及安裝、容量、臺數、繞組、相數、調壓與冷卻方式等方面針對如何合理選擇主變壓器進行分析，并針對繞組數量的不確定性進行了低壓側雙分裂繞組以及雙繞組變壓器的短路電流校驗。

1 海上升壓站主變選擇分析

1.1 環境及安裝因素

海上升壓站電氣設備位于海洋環境，污穢等級高，濕度最大可達90%以上，因此海上電氣設備需合理選擇防腐方案、電氣距離、設備材質、絕緣方法等。

電氣設備在運輸過程及海上升壓站運行過程中，均有風浪、潮流等外部環境影響，因此設備應具有抗傾斜、抗振動、抗震的能力，并在本體適當位置設置固定用元件以便適航固定。[2]

目前海上升壓站基本上采用整體吊裝法，如圖1所示。但整體重量越大，可供使用的吊裝船只數量越少，越不利于施工招標。同時海上升壓站的平臺尺寸重量、建造成本也和電氣主設備大小息息相關。因此電氣設備在滿足安全運行和維護檢修基本要求基礎上，還應考慮緊湊化和模塊化布置設計。[3]

海上升壓站離岸基較遠，設備故障后恢復時間較長，因此應選用可靠性高的電氣設備以減少停電損失。

1.2 容量及臺數

主變壓器的容量和臺數選擇既要滿足風電場的正常發電需要，又要降低變壓器損耗減少不必要的電量浪費。[4]

從經濟角度看，在同樣的負載條件下，單臺大容量變壓器比用數臺小容量變壓器要經濟。但海上風電有其特殊性，海上升壓站離岸基較遠，設備故障后恢復時間較長。當僅選用一臺主變時，主變故障或者檢修將造成長時間的停電損失。因此推薦海上升壓站主變臺數為2臺。[5]

主變壓器的實物圖如圖2所示。變壓器的損耗分為空載損耗和負載損耗。空載損耗即為鐵損，此為變壓器的固定損耗，隨變壓器的額定容量增大而增大。負載損耗即為銅損，此為變壓器的變化損耗，隨變壓器的負載增大而增大。海上風電場出力日變化和月變化較明顯，有很強的周期性，風力發電機組滿載出力概率較低。同樣從經濟角度上看，相同變壓器臺數情況下，變壓器容量越小越經濟。結合文獻[6]的要求，單臺主變壓器可送出風電場容量60%以上的容量，因此400MW海上風電場可選用2臺容量為240MVA的主變壓器。

1.3 繞組數量選擇

海上風場目前風電機組變壓器出口電壓均為35kV，因此主變壓器僅設置兩側電壓，主變壓器可以選用240MVA的低壓側雙分裂繞組變壓器或者雙繞組變壓器。從經濟上雙繞組變壓器明顯更優，但是后文仍需結合短路電流校驗來確定繞組數量。

1.4 相數選擇

變壓器可以選擇采用三相變壓器，也可選擇3個單相變壓器組成的單相變壓器組。

220kV變壓器若不受運輸條件的限制，應選用三相變壓器。

海上升壓站一般在碼頭建造之后即出海安裝，不存在運輸問題。同時如若選擇采用單相變壓器，則其總體所需空間偏大，會增加海上升壓站建設成本。

故400MW海上風電場推薦采用三相變壓器。

1.5 調壓與冷卻方式

主變壓器采用有載調壓方式，并通過調整主變壓器分接頭來調整風電場內電壓，確保本場內風電機組正常運行。

主變壓器采用的冷卻方式一般有四種：自然風冷卻、強迫油循環風冷、強迫油循環水冷卻、強迫或導向油循環冷卻。

自然風冷卻方式的優點為受外部條件制約少，運行可靠。缺點為散熱器體積較大。

強迫油循環冷卻方式的優點為散熱效果好，可減少變壓器本體和散熱器體積，節約設備制造材料。缺點為需要新增設置一套冷卻系統，受電源質量和冷卻系統本身質量影響較大。

結合海上升壓站的高可靠性要求，推薦400MW海上風電場主變壓器冷卻方式為自然風冷卻方式。

1.6 其他要求

結合海上升壓站的環境及安裝因素，主變壓器還應滿足下列要求：

變壓器應具有高度的短路、絕緣、附件可靠性。應能抵抗突發短路事故而不造成線圈損壞，絕緣結構可靠，局放水平低。

變壓器應具有高度的耐腐蝕性。設備的外殼、連接部件、裸露金屬部分、與大氣長時間直接接觸等部分進行防腐蝕特殊處理，部分材質應選用316不銹鋼。要求對瓦斯繼電器、有載調壓電動機構及其傳動系統、壓力釋放閥、油位計外殼、中性點設備支架底座及其它重要電氣設備加強防腐措施。變壓器油箱、儲油柜等主體鋼結構件及外殼、導油管等部件連接處應達到C5-M 防腐等級。

變壓器應具有免維護性，冷卻設計合理可靠，變壓器預期壽命至少應超過30 年，正常運行時達到25 年免維護。

2 短路電流校驗計算參數

按照當前的海上風電場距離岸基至少10km的開發政策，假定本海上風場海上升壓站距陸上集控中心為15km。假定海上升壓站220kV側為線路變壓器組接線，35kV側為單母線分段接線。

本工程取陸上220kV集控中心220kV母線的三相短路電流為50kA來計算。取基準容量為100MVA，取短路點平均工作電壓Uj=230kV、37kV、0.72kV。

海上升壓站至陸上集控中心220kV海纜線路長度約為15km，海纜阻抗按0.2Ω/km考慮。主變分別按照低壓側雙分裂繞組變壓器和雙繞組變壓器進行設計。短路計算時將風機的次暫態短路電流暫按風機額定電流的1.5倍計。[7]5MW風機配套35kV干式變壓器額定容量為5700kVA，阻抗電壓按8%考慮。[8]分裂繞組變壓器參數按照全穿越14%，半穿越26%，Kf=3.2考慮，雙繞組變壓器阻抗電壓按14%考慮。

系統及各元件參數標幺值計算如下，具體參數值如表1所示：

（1）系統阻抗：

X1*= 1 I* = Sj? 3 UjI?? （1）

（2）單回220海纜阻抗：

X2*=X Sj U2j?? （2）

（3）低壓側雙分裂繞組變壓器阻抗：

X3*=X1-2 1- 1 4 Kf = U1-2% 100 × Sj Se? 1- 1 4 Kf?? （3）

X4*=X5*= 1 2 KfX1-2= 1 2 Kf U1-2% 100 × Sj Se?? （4）

（4）雙繞組變壓器阻抗：

X6*= Ud% 100 × Sj Se?? （5）

（5）單臺風機配套35kV干式變壓器阻抗：

X7*= Ud% 100 × Sj Se?? （6）

（6）單臺風機阻抗：

X8*= Sj S''d?? （7）

3 方案對比

3.1 采用雙分裂繞組變壓器

安裝2臺容量為240/120-120 MVA，電壓為220/35-35kV的低壓側雙分裂繞組變壓器，220kV側為線路變壓器組接線，35kV側為單母線4分段接線。

正常運行工況下，即35kV分段斷路器分列，兩臺主變低壓側每個分裂繞組所在母線各帶20臺5MW風機運行時的短路電流計算電氣等值阻抗見圖3（a），短路電流計算成果見表2。

極端運行工況下，即1臺主變退出運行時，35kV分段斷路器并列，另一臺主變每個低壓側分裂繞組所在母線各帶40臺5MW風機運行時的短路電流計算電氣等值阻抗見圖3（b），短路電流計算成果見表2。

由短路電流計算結果可知，當主變為低壓側雙分裂繞組變壓器時，正常運行工況和極端運行工況下35kV母線發生故障的短路電流分別為15.68kA和17.84kA，均小于20kA。

3.2 采用雙繞組變壓器

安裝2臺容量為240 MVA的220/35kV的雙繞組變壓器，220kV側為線路變壓器組接線，35kV側為單母線分段接線。

正常運行工況下，即35kV分段斷路器分列，兩臺主變低壓側繞組所在母線各帶40臺5MW風機運行時的短路電流計算電氣等值阻抗見圖4（a），短路電流計算成果見表3。

極端運行工況下，即1臺主變退出運行時，35kV分段斷路器并列，另一臺主變低壓側繞組所在母線帶80臺5MW風機運行時的短路電流計算電氣等值阻抗見圖4（b），短路電流計算成果見表3。

由短路電流計算結果可知，當主變為雙繞組變壓器時，正常運行工況和極端運行工況下35kV母線短路電流分別為26.86kA和31.08kA，最近一臺風機距離海上升壓站較近，經計算風機配套升壓變35kV側短路電流大于20kA，不滿足目前市場上風機廠家的風機配套35kV環網柜額定短時耐受電流水平20kA要求。

故400MW海上風電場推薦采用2臺容量為240/120-120 MVA的220/35-35kV的低壓側雙分裂繞組變壓器。

但當風電場容量減小，或者海纜長度變長時，仍需進行短路電流計算校驗，當能滿足風機配套35kV環網柜額定短時耐受電流水平20kA要求時，仍宜優先選用雙繞組變壓器。

4 結論

本文以具體的400MW海上風電場為例，提供結合實際的海上升壓站主變選擇方案，推薦400MW海上風電場海上升壓站安裝2臺容量為240/120-120 MVA，220/35-35kV的三相、銅繞組、自然油循環自冷卻型、油浸式、低損耗、低壓側雙分裂、有載調壓升壓式電力變壓器。

海上升壓站主變選擇不能簡單地從經濟性的角度考慮，還應充分考慮海上升壓站環境及安裝因素及升壓站相關聯的風機設備制造能力水平。

隨著海上風電的進一步發展和設備可靠性的進一步提高，陸上的其他傳統限流措施在海上升壓站也將會得到應用，屆時主變壓器如何合理選擇還需要繼續研究探討。

參考文獻：

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