風電雙分裂變壓器半穿越狀態下的繞組熱點研究與優化

2021-08-20 23:47:48周啟峰

機電工程技術 2021年11期

摘要：通過運用 Magnet和 ANSYS Fluent仿真軟件對 SCSFB11-7400/35風電干式雙分裂變壓器在半穿越狀態下的漏磁場分布、繞組負載損耗和溫度場進行仿真和優化，同時通過溫升試驗驗證仿真結果的準確性，最終確定繞組最熱點的位置和大小。研究的前提條件主要包括變壓器的型號和參數、運行模式、最熱點限制、換熱器功率、冷卻液溫和冷卻風量要求等方面。研究發現，雙分裂變壓器在半穿越狀態下的最熱點溫度在低壓下繞組的上部、輻向繞組厚度約2/3（由內往外）處，以及可以適當調整低壓導電箔材厚度或/和低壓繞組的匝數分布來解決半穿越狀態下低壓繞組電流分配不均所造成的損耗集中問題，從而改善低壓繞組內部最熱點溫度，滿足變壓器可靠和安全運行的要求。為風電干式雙分裂變壓器的最熱點確定提供了研究方法和途徑，也可以為風電干式雙分裂變壓器的深入研究應用和現場運行維護提供了依據和指導。

關鍵詞：海上風電;雙分裂變壓器;半穿越繞組熱點;溫度場仿真

中圖分類號：TM41文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0247-04

Research and Optimization of Winding Hot Spots of Wind Power Dual SplitTransformer under Semi-traversing Condition

Zhou Qifeng

（Siemens Transformer（Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510530， China）

Abstract： Magnet and ANSYS Fluent simulation software were used to simulate and optimize the distribution of magnetic leakage field， winding load loss and temperature field of SCSFB11-7400/35 dry type dualsplit transformer for wind powerunder semi-penetrating working condition. Meanwhile， temperature rise test was used to verify the accuracy of simulation results and finally determine the position and value of hottest point of winding. The preconditions of the research mainly include transformer type and parameters， operation mode， maximum temperature limit， heat exchanger power， cooling water temperature and cooling air volume requirements， etc. The hottest point in the windings of double split transformer under semi-penetration working condition was positioned at around 2/3 thickness （from inside to outside in radial direction） of the upper low voltage winding according to the research， and adjusting conductive foil thickness and/or turns distribution of low voltage winding was verified to solve the uneven distribution of the loss of half through the condition of low voltage winding current uneven distribution of the loss concentration problem， thus the hot spot temperature inside the low-voltage windings could be improved to meet the design requirements. The research results provide a research method and approach for determining the hot spot of dualsplit transformers for wind power， and provide a basis and guidance for in-depth research， application and field operation and maintenance of dualsplit transformers for wind power.

Key words： offshore wind power; dual split transformer; semi-penetrating winding hot spot; temperature field simulation

0 引言

風電雙分裂干式變壓器 SCSFB11-7400/35普遍應用在國內某6 MVA海上風力發電平臺上，發電機轉子經兩路變頻器與該型雙分裂變壓器的兩個低壓繞組連接，構成并聯電氣回路，然后通過高壓繞組實現升壓和傳輸電能到電網中。由于雙分裂變壓器的特殊結構，一旦其中一路變頻器連接的一個低壓繞組發生短路時，半穿越運行時的阻抗約是正常運行時全穿越阻抗的2倍，分裂電抗約是全穿越電抗的4倍，可以有效地限制短路電流。同時通過兩個低壓繞組與兩個變頻器并聯接線方式，當其中一個變頻器發生故障時，另一個變頻器可以繼續運行，發電機組可以維持一定的發電能力，提高了6 MW海上風力發電平臺的可靠性和安全性。同時，由于該平臺雙分裂變壓器采用了干式變壓器，而干式變壓器具有綠色環保、過載能力強、免維護和良好的阻燃特性，也進一步提高了6 MW海上風力發電平臺的可靠性、安全性和經濟性[1-3]。

通常情況下，絕緣熱老化是影響變壓器使用壽命的主要因素，其中影響絕緣熱老化的因素包括變壓器的溫升水平、環境溫度、負荷大小和電能質量等，前者起到決定性的作用。對于雙分裂變壓器來說，長時間運行在半穿越且滿負荷的狀態是變壓器運行的最極端工況，在該狀態下繞組內部最熱點溫度應該不超過繞組絕緣的最高耐受溫度，才能確保變壓器全壽命周期內的絕緣安全和可靠性，從而確保風力發電機組的安全性和可靠性。因此研究和確定半穿越狀態下的繞組最熱點溫度的位置和大小成為解決該問題的關鍵。國內有不少學者對半穿越狀態下的雙分裂變壓器繞組的電流分配問題或者平均溫升問題開展了仿真研究[4-5]，其中繞組的最熱點溫度是通過平均溫升結合標準規定進行折算的，而對于風電干式雙分裂變壓器在半穿越狀態下的繞組最熱點位置和大小的確定以及試驗驗證鮮見文章報道。本文通過運用 Magnet 和 ANSYS Fluent 仿真軟件對 SCSFB11-7400/35干式雙分裂變壓器在半穿越狀態下的漏磁場分布、繞組負載損耗和溫度場進行仿真，然后基于仿真結果對產品的設計方案給出優化措施，同時通過溫升試驗驗證仿真結果的準確性，最終確定繞組的最熱點溫度的位置和大小，達到了設計要求。

本文研究所基于的前提條件為：（1）變壓器運行在全密閉外殼內，外殼防護等級 IP44;（2）變壓器的冷卻方式是強迫風冷，外殼內的空氣通過安裝在外殼側下方的水冷換熱進行熱交換;（3）水冷換熱器的功率是35 kW，風力發電機組現場提供的冷卻液的最高溫度為47℃。冷卻風量4883 m3/h;（4）半穿越且滿負荷運行狀態。

1 變壓器主要參數

該 SCSFB11-7400/35型樹脂澆注干式雙分裂變壓器的主要參數如表1所示。

根據 GB1094.11中對干式變壓器絕緣系統的溫升限值的描述，F 級絕緣材料最高允許的溫度為155℃。考慮到實際生產中絕緣材料的耐熱值偏差5 K ，繞組的最熱點溫度不應超過150℃，才能確保變壓器全壽命周期內的絕緣壽命安全[6]。

2 產品設計和軟件仿真

2.1 電磁設計

使用電磁計算軟件對該變壓器進行方案設計，初步方案的主要數據如表2所示。

根據電磁計算結果，高壓繞組軸向分上下兩段，容量和匝數相同，輻向按照2段/1氣道布置;低壓繞組軸向雙分裂布置，低壓繞組輻向按照4段/3氣道布置，匝數分布（由內往外）為2匝+3匝+3匝+2匝。繞組結構布置如圖1所示。

2.2 漏磁場和損耗分布仿真

雙分裂變壓器的運行方式分為全穿越狀態運行和半穿越狀態運行。全穿越狀態運行時，低壓繞組1和低壓繞組2之間并聯，與高壓繞組構成滿負荷運行電磁耦合回路。由于低壓繞組1和低壓繞組2完全一樣，與高壓繞組上下部分的電磁耦合一致，因此電流分配在低壓繞組1與高壓繞組上部分和低壓繞組2與高壓繞組下部分都是一樣的，這是正常的工作狀態。半穿越狀態運行時，低壓繞組1或低壓繞組2與高壓繞組構成一半額定負荷運行電磁回路。由于只有一個低壓繞組與高壓繞組電磁耦合，因此低壓繞組與高壓繞組上下部分的耦合程度是不一樣的，電流在高壓繞組和低壓繞組的分配也是不均勻的。

雙分裂變壓器全穿越狀態運行和半穿越狀態運行時的漏磁場2D分布如圖2所示。

對于雙分裂變壓器來說，對散熱最不利的半穿越狀態運行方式是低壓繞組2和高壓繞組構成電磁耦合回路，如圖2（b）所示。由于半穿越狀態下電流在高壓繞組和低壓繞組的電流分配是不均勻的，導致繞組內部不同部位的損耗也是不同的。損耗大小決定繞組的溫度高低，不同部位產生的損耗不同導致溫度也是不同的。理論上，損耗最高的部位就是繞組的最熱點。為了計算繞組不同部位的損耗，需要運用 Magnet軟件建立合適的3D 磁場計算模型，如圖3所示。

根據3D磁場模型仿真計算的半穿越狀態（高壓繞組-低壓繞組2）下的電流分配數據，為了簡化計算，按照高壓繞組的段數進行網格化，計算得出高壓繞組和低壓繞組不同段的損耗分布如圖4所示。

根據損耗分布計算結果，可以得出：（1）半穿越運行時，低壓繞組1和低壓繞組2都會產生很大的渦流損耗，其中低壓繞組2的損耗相較于全穿越時的損耗增加了43.8%，源于渦流損耗增加;（2）繞組最熱點位于低壓繞組2的第4～8匝（由內往外）上端部區域[7]。

2.3 溫度場分布仿真

將損耗分布的計算結果以及強迫風冷的風量和換熱器出口溫度作為仿真軟件 Ansys Fluent建立溫度場模型的施加載荷條件，該雙分裂變壓器在半穿越狀態下的溫度場仿真結果如圖5（a）所示。由圖可知繞組的最熱點在低壓繞組2的上端部區域，最熱點溫度約為157℃，超過了第1節中規定的最高耐受溫度150℃，需要重新優化設計[8]。

經過分析原因和重新計算，優化設計方案：（1）增加低壓繞組的導體銅箔厚度至2.2 mm ，降低最熱點處的電阻損耗;（2）調整低壓繞組匝數分布為2匝+2匝+3匝+3匝（由內往外）;（3）優化外殼內的風道設計，增加導流板和減小風道連接間隙。優化后的溫度場分布如圖5 （b）所示，最熱點溫度下降至146℃，滿足要求。

3 試驗驗證

為了驗證設計和仿真的結果，確定繞組的最熱點，在變壓器樣機的低壓繞組繞制的時候，在低壓繞組的端部第2匝、第5匝和第8匝（由內往外）預埋 PT100溫度探頭，并連接到溫度記錄儀上，用于測量半穿越狀態溫升試驗時這些位置的溫度值。預埋 PT100溫度探頭布置圖和編號如圖6所示。

按照 GB1094.2和 GB1094.11的要求，采用模擬負載法測試變壓器樣機的溫升。變壓器樣機的部分例行試驗結果和溫升試驗參數如表3所示。由表可知，實際測量的半穿越負載損耗與仿真結果非常接近。相對于變壓器全穿越狀態下運行產生的負載損耗，半穿越狀態下運行時負載損耗增加了41%。

仿真低壓繞組2預埋的 PT100溫度測量結果（最高溫度）如表4所示。由表可知，低壓繞組2的第5匝的溫度最高，為137.3℃，考慮到溫度輻向分布以及高壓繞組的影響，判斷繞組最熱點位于第5～7匝之間的區域。此外，由于溫升試驗時測得的冷卻液進水溫度為39.9℃，與現場提供的冷卻液最高入口溫度47℃差7.1 K。因此，該雙分裂變壓器在實際運行時，低壓繞組2的最熱點溫度可以達到137.3+7.1=144.4℃，符合設計要求，也小于 F 級絕緣最高耐受溫度，是完全可以接受的。

4 結束語

本文以應用于海上風力發電6 MW平臺的樹脂澆注干式雙分裂變壓器 SCSFB11-7400/35為例，通過運用 Mag? net和Ansys Fluent軟件仿真和溫升試驗驗證，研究了風電雙分裂變壓器半穿越狀態下的繞組熱點問題，結論如下：

（1）風電雙分裂變壓器在半穿越狀態下的最熱點溫度在低壓繞組2的上部、輻向繞組厚度約2/3（由內往外）處;

（2）可以適當調整低壓導體箔材的厚度或/和低壓繞組的匝數布置來改變半穿越狀態下電流分配不均所造成的損耗集中問題，從而改善繞組內部最熱點溫度;

（3）溫升試驗時PT100探頭的布置位置對確定最熱點溫度非常重要，需要結合溫度場仿真結果進行科學布置。

本文研究結果為海上風電雙分裂變壓器的最熱點確定提供了研究方法和途徑，為海上風電雙分裂變壓器的深入研究應用和現場運行維護提供了依據和指導。

參考文獻：

[1]路長柏.電力變壓器理論與計算[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2007.

[2]尹克寧.變壓器設計原理[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]侯仰風.雙分裂變壓器的研究與設計[D].青島：山東科技大學，2018.

[4]談翀，胥建文，徐蓮環，等.低壓軸向雙分裂變壓器半穿越狀態下繞組電流及溫升計算[J].變壓器，2017，54（6）：10.

[5]王李偉，郭紅兵，孟建英，等.基于貝葉斯公式的變壓器繞組輻向變形群組評估[J].內蒙古電力技術，2021，39（2）：25-27.