臨海風(fēng)電組合變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要 組合式變壓器又叫做美式箱變，是一種將開關(guān)設(shè)備、變壓器器身、熔斷器、開關(guān)設(shè)備、輔助設(shè)備、分接開關(guān)等組合到一起的變壓器。風(fēng)力作為一種清潔能源，通過將風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用組合式變壓器可以顯著提高發(fā)電質(zhì)量和發(fā)電效率，因此本文重點(diǎn)對(duì)海上風(fēng)電變壓器的特點(diǎn)和要求進(jìn)行了分析，然后對(duì)海上風(fēng)力變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，以降低系統(tǒng)故障，保證海上風(fēng)電變壓器的可靠性。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電組合 變壓器優(yōu)化 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，可用能源日益減少，人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視度不斷提升。海上風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力資源具有風(fēng)速大、密度高、資源多、風(fēng)力穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且在海上建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)并不會(huì)占用耕地，風(fēng)電機(jī)組的吊裝和運(yùn)輸也比較方便，但是由于海上環(huán)境存在霉菌、鹽霧、濕熱等情況，會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的使用年限。變壓器作為風(fēng)電機(jī)組的重要部分，由于體積比較大，更換比較困難，底架、鐵心、繞組等都很容易生銹腐蝕，所以在進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)進(jìn)行研究，并作出合理的設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)力發(fā)電體系的類別和基本特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電的基本原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能之后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿幕具^程，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)如下：

（1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電體系主要?jiǎng)澐譃槌潆娦秃蛣?dòng)力型兩種，其主要適用于機(jī)組容量比較小的情況。

（2）并網(wǎng)運(yùn)行的基本方式是借助同步發(fā)電機(jī)或者異步發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力和電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。經(jīng)過并網(wǎng)之后電壓和頻率完全取決于電網(wǎng)。在電網(wǎng)無窮大時(shí)將會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的牽制力，自身也會(huì)產(chǎn)生巨大的能量吞吐能力。對(duì)于并網(wǎng)之后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，其輸出電能的大小將直接由風(fēng)力大小決定。該種運(yùn)行方式要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須得到并網(wǎng)和解列控制，而并網(wǎng)的前提條件則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率完全一致。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)因?yàn)轱L(fēng)速過小而不能輸出電能時(shí)便會(huì)從電網(wǎng)解列。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電混合能源體系來說，其主要由兩種及以上能源共同組成供電體系，其又被稱之為混合能源系統(tǒng)。在該體系中應(yīng)包含至少一種穩(wěn)定能源，只有這樣才能夠有效保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2 海上風(fēng)電機(jī)組變壓器建設(shè)的基本要求

海上風(fēng)電機(jī)組專用變壓器的基本作用是將風(fēng)電機(jī)組所產(chǎn)生的低壓電能經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)變?yōu)?0kV或者35kV的高壓電后通過海底電纜將其輸送到風(fēng)電場(chǎng)升壓站。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組來說，出于成本考慮的原因，其極少將變壓器放置于塔筒10m之外，其常見的處理方式是將變壓器放置于塔筒內(nèi)部或者機(jī)艙中予以綜合，而海上風(fēng)電變壓器的技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）自身的發(fā)熱量較小。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電自身具有極為顯著的季節(jié)性，變壓器的空載時(shí)間過長(zhǎng)，年負(fù)載率平均只有30%，因此應(yīng)當(dāng)將空載所產(chǎn)生的損耗降到最低；與此同時(shí)由于變壓器處于塔筒內(nèi)部或者機(jī)艙中，不利于散熱，其在帶負(fù)載狀態(tài)下工作的效率應(yīng)當(dāng)更高。

（2）自身的耐候性必須更強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)化腐蝕作用。在風(fēng)力資源極為豐富的海上和沿海地區(qū)，鹽霧和霉菌以及濕熱等惡劣的氣候環(huán)境會(huì)對(duì)變壓器造成致命性的損傷。此外在沒有吊裝時(shí)發(fā)電機(jī)可能長(zhǎng)時(shí)間放置于野外受到暴曬和腐蝕等作用，該種現(xiàn)象極有可能使得變壓器在使用之前就受到較大損傷。

（3）要求變壓器重量較輕，體積較小，自身的機(jī)械強(qiáng)度必須更高，外形美觀，方便吊裝。因?yàn)樽儔浩魉胖玫乃埠蜋C(jī)艙空間較為狹小并且具有較強(qiáng)的不規(guī)則性，與此同時(shí)必須充分考慮電氣安全間隙和機(jī)組的單位容量重量等多種因素，因此對(duì)于變壓器在設(shè)計(jì)和制造過程中的體積和外形以及重量都提出了更高的要求。海上風(fēng)機(jī)必須講過長(zhǎng)距離和不同方式的運(yùn)輸以及吊裝，其整體過程極為艱難，在此過程中必然會(huì)受到振動(dòng)和樁基，因此要求變壓器自身具有極強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。

（4）對(duì)于變壓器技術(shù)的要求。因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電機(jī)組自身受到交通和周圍環(huán)境的限制，在日常維護(hù)和檢修過程中都必須花費(fèi)大量的人力和物力，整體投入成本較大，在維護(hù)過程中每次都會(huì)造成機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的使用率造成了極為顯著的影響。基于此必須通過安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要求負(fù)荷開關(guān)和變壓器兩者采取分箱結(jié)構(gòu)，箱體體積應(yīng)當(dāng)按照需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能降低整體尺寸，實(shí)現(xiàn)箱體的密封性和美觀性。高壓電纜接線應(yīng)當(dāng)采用一進(jìn)一出的基本設(shè)計(jì)，變壓器散熱片自身應(yīng)當(dāng)包含防碰撞保護(hù)，變壓器不能出現(xiàn)滲漏油的現(xiàn)象。其基本原理如圖1所示。

3 對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組變壓器的說明

3.1 變壓器冷卻的基本方式

根據(jù)變壓器冷卻方式存在的差別，可以將其劃分為油浸式變壓器和干式變壓器及氣體變壓器多種新式。其中油浸式變壓器自身具有體積小和耐壓等級(jí)高以及散熱性能較好等特點(diǎn)，但是其自身存在較為嚴(yán)重的漏油現(xiàn)象，在產(chǎn)生故障時(shí)極有可能出現(xiàn)噴油和燃燒的可能，對(duì)于環(huán)境污染較為嚴(yán)重，在塔筒或者機(jī)艙中使用時(shí)極為危險(xiǎn)，此外其自身還具有難以維護(hù)和重量過大的缺陷，因此不適合在海上風(fēng)電機(jī)組中使用；對(duì)于干式變壓器來說，其自身具有安全、干凈、耐阻燃、容易維護(hù)以及抗短路能力強(qiáng)等多種性質(zhì)，但是因?yàn)轶w積較大，耐壓等級(jí)較低以及在戶外安裝較為艱難等缺陷，但是其相對(duì)于油浸式變壓器更適合海上風(fēng)電機(jī)組的安裝。對(duì)于氣體變壓器來說，其通常會(huì)使用SF6作為冷卻和絕緣介質(zhì)，其中SF6氣體具有無毒無味不燃燒的優(yōu)勢(shì)，其自身結(jié)構(gòu)和油浸式變壓器基本相同，在具有油浸式變壓器優(yōu)勢(shì)的同時(shí)有效克服了其缺陷，使得日常維護(hù)更加容易，對(duì)于環(huán)境所產(chǎn)生的污染較小，容易將散熱器和變壓器分開布置，因此該種變壓器也適合于海上風(fēng)電機(jī)組的安裝。

3.2 防止?jié)B漏油的基本方式

組合式變壓器出現(xiàn)滲漏油的根本原因主要包括以下幾點(diǎn)：一是運(yùn)輸和安裝過程中振動(dòng)和變壓器運(yùn)行過程中油溫變化以及正常運(yùn)行狀態(tài)下箱體受外力影響造成的。二是產(chǎn)品自身原因，因?yàn)榇嬖谏崞Y(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)以及焊接質(zhì)量、套管以及密封件老化等多種問題。在實(shí)際運(yùn)行過程中變壓器內(nèi)部油箱會(huì)存在一定壓力，而該壓力會(huì)隨著變壓器運(yùn)行情況不斷變化，倘若油箱鋼板強(qiáng)度不能滿足需求，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行便會(huì)在內(nèi)部壓力變化的直接影響下出現(xiàn)微孔，繼而出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象。此外倘若套管自身存在一定的質(zhì)量缺陷，在內(nèi)部壓力不斷變化的長(zhǎng)期影響下，會(huì)出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象。

3.3 防止鹽霧腐蝕的基本方式

對(duì)于海上風(fēng)電集電變壓器來說必須加強(qiáng)防腐作用，基于此必須對(duì)箱體進(jìn)行必須的特殊工藝處理。借助酸性物質(zhì)全面去除雜質(zhì)和氧化物后噴涂一層專用的環(huán)氧富鋅防腐底漆，之后將其放入烘房之中再進(jìn)行氟碳面漆的噴涂，最終將其放入烘房中進(jìn)行烘烤促使表面固化。根據(jù)上述生產(chǎn)要求，所生產(chǎn)形成的箱體經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)完全可以滿足海上風(fēng)電機(jī)組安裝的基本要求。此外為了有效避免鹽霧腐蝕前室中的配件，應(yīng)當(dāng)將前室設(shè)計(jì)成為全封閉結(jié)構(gòu)，取消常規(guī)設(shè)計(jì)過程中存在的百葉窗等結(jié)構(gòu)，并在密封面上增加橡膠對(duì)其進(jìn)行完全密封。

3.4 對(duì)于散熱片的保護(hù)措施

風(fēng)電集電變壓器的箱體可以劃分為三個(gè)部分，即散熱器、油箱以及前室。其中最為薄弱的便是散熱器。風(fēng)力機(jī)電變壓器的使用場(chǎng)所通常為沿海地區(qū)的野外，周圍常常會(huì)有農(nóng)民出入。為了有效避免人為破壞，必須對(duì)散熱器進(jìn)行必要的保護(hù)。防護(hù)罩主要使用34511鋼板圍住散熱器五個(gè)面，該種方式不但能夠滿足防碰撞的基本要求，也能夠確保自身散熱。箱體和防護(hù)罩的簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.5 對(duì)于負(fù)荷開關(guān)分箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)風(fēng)電集電變壓器的實(shí)際使用環(huán)境和條件，負(fù)荷開關(guān)和變壓器應(yīng)當(dāng)采取分箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)設(shè)計(jì)。一是風(fēng)電集電變壓器出線到主變線路上，只有風(fēng)電集電變壓器內(nèi)部的負(fù)荷開關(guān)產(chǎn)生斷開開關(guān)的基本作用，相對(duì)于普通組合式變壓器，該負(fù)荷開關(guān)操作的基本頻率應(yīng)當(dāng)提升；二是風(fēng)電集電變壓器內(nèi)部負(fù)荷開關(guān)在實(shí)際操作過程中會(huì)產(chǎn)生電弧，繼而引起絕緣油老化和積碳等多種問題，對(duì)電壓器和開關(guān)自身的絕緣性產(chǎn)生較大影響。因此在負(fù)荷開關(guān)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)小油箱，并采取與變壓器主油箱完全隔離的方式，保證變壓器的實(shí)際使用壽命。

4 結(jié)束語

綜上所述，海上風(fēng)電變壓器由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，導(dǎo)致變壓器的機(jī)組故障率非常高。一旦變壓器出現(xiàn)故障不僅維修困難，而且維修成本很高，為了降低故障需要科學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，科學(xué)的選擇材料，以保證風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介

黃成（1963-），男，廣東省雷州市人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為湛江高壓電器有限公司工程師。研究方向?yàn)樽儔浩髟O(shè)計(jì)方面。

作者單位

湛江高壓電器有限公司 廣東省湛江市 524000