35kV耐高溫光伏發(fā)電用組合式變壓器研制

李新建 趙峰 郭艷君

摘 要：應(yīng)用于美國(guó)市場(chǎng)的耐高溫光伏發(fā)電用組合變壓器具有容量大、低壓支路多、溫升限值高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。為了滿足上述產(chǎn)品需求，研制了35 kV耐高溫組合式變壓器，從器身結(jié)構(gòu)、高溫絕緣介質(zhì)、保護(hù)方式等方面著手，對(duì)高溫絕緣材料的選取、應(yīng)用FR3油的絕緣結(jié)構(gòu)、溫升計(jì)算方法、內(nèi)部引線結(jié)構(gòu)、保護(hù)方式、相應(yīng)組部件選取、小型化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：組合變壓器；雙器身；耐高溫；熔斷器并聯(lián)

中圖分類號(hào)：TM402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

近些年，光伏發(fā)電領(lǐng)域是投資與研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)在不斷發(fā)展。該領(lǐng)域追求的目標(biāo)之一是越來(lái)越高的發(fā)電效率。提高發(fā)電效率的一個(gè)途徑是提高單機(jī)容量。組合式變壓器具有一二次集成度高、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在光伏發(fā)電領(lǐng)域中大量應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)所使用的光伏發(fā)電組合式變壓器，單機(jī)額定容量大多為1 MVA，電壓等級(jí)為10 kV或35 kV，絕緣耐熱等級(jí)大多為A級(jí)，應(yīng)用礦物油作為絕緣與散熱介質(zhì)。GE公司為了在技術(shù)上取得全球領(lǐng)先地位，準(zhǔn)備研發(fā)4 MW逆變器，該公司立項(xiàng)研發(fā)與之相配套的光伏發(fā)電組合式變壓器。該項(xiàng)目不僅要提高單機(jī)容量，而且要針對(duì)礦物油易燃及不環(huán)保的缺點(diǎn)提出解決方案，提出一種耐高溫難燃環(huán)保型光伏發(fā)電組合式變壓器，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、小型化、輕量化與高可靠性的目標(biāo)。

1 產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 器身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于該項(xiàng)目產(chǎn)品容量大、低壓輸出支路多，并且要裝入集裝箱運(yùn)輸，產(chǎn)品的外型尺寸受到集裝箱尺寸的限制，尤其是高度上，給變壓器設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

為盡量降低高度，采用了由雙器身構(gòu)成的四分裂結(jié)構(gòu)。雙器身共用一個(gè)油箱，每個(gè)器身高壓兩路并聯(lián)，低壓雙分裂，2個(gè)器身并聯(lián)實(shí)現(xiàn)單機(jī)四分裂，總共四路低壓輸出。這種結(jié)構(gòu)一方面降低了器身的高度，另一方面也使每個(gè)器身的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，提高了產(chǎn)品的可靠性。

1.2 絕緣材料優(yōu)化選取

由于該項(xiàng)目為高溫絕緣系統(tǒng)，其溫升限值高于常規(guī)的A級(jí)絕緣產(chǎn)品，達(dá)到了繞組85 K，油面90 K。絕緣材料也不同于常規(guī)產(chǎn)品，應(yīng)該選擇更高耐熱等級(jí)的材料。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)IEEE C57.154標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合光伏箱變的實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)變壓器各個(gè)部位的發(fā)熱、溫升情況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)不同的溫升計(jì)算結(jié)果，來(lái)確定每個(gè)位置的絕緣材料，而不是一味提高絕緣材料的等級(jí)。這樣既滿足了變壓器壽命的要求，也在最大程度上降低了成本。

雙器身結(jié)構(gòu)，每個(gè)器身通過(guò)拉螺桿拉緊。線圈排列從鐵心向外依次為鐵心-低壓線圈-高壓線圈，相間放置相間隔板，線圈端部放置鐵軛隔板。2個(gè)器身間放置絕緣紙板。

在繞組不同部位使用不同的耐高溫固體絕緣材料，使用耐高溫可自然降解的天然酯絕緣液作為液體絕緣與冷卻介質(zhì)，由此構(gòu)建了變壓器耐高溫絕緣系統(tǒng)，在全面解決礦物油變壓器存在的弊端的同時(shí)，突破了油浸式變壓器固有的A級(jí)耐熱等級(jí)理論框架束縛，提高了變壓器的耐熱等級(jí)。針對(duì)天然酯絕緣液運(yùn)動(dòng)黏度大的缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)散熱油隙尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)傳統(tǒng)的溫升計(jì)算公式進(jìn)行了修正，使之更適合天然酯絕緣油產(chǎn)品。

1.3 總裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化

低壓線圈為雙層層式結(jié)構(gòu)，采用厚扁線多根軸向排列繞制，取消輻向排列，繞制時(shí)線圈中部不用換位，防止了線圈輻向超差，使線圈繞制更緊實(shí)。每個(gè)器身上下兩路的分接線從器身中部引出，便于引線的連接，減少了線圈分接出頭的絕緣包扎，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)走線更美觀。

油箱采用桶式適形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。固定式片散，箱體上備有吊攀，補(bǔ)氣、充油管接頭、排油閥和取油樣閥。帶與變壓器高低壓室連接孔，減少天然酯絕緣油的使用量。

變壓器頂部充氮?dú)?，底部與外殼底座相連，帶高低壓室。高低壓套管水平引出，高壓套管為插拔式套管，低壓套管為瓷套管，不帶儲(chǔ)油柜。起吊整個(gè)變壓器的吊攀布置于變壓器短軸側(cè)，起吊點(diǎn)高于變壓器本體箱蓋，便于起吊整個(gè)組合式變壓器。

1.4 保護(hù)優(yōu)化

熔斷器是組合式變壓器里必不可少的部件，主要用于對(duì)變壓器二次側(cè)短路及過(guò)負(fù)荷等進(jìn)行保護(hù)。由于該項(xiàng)目該產(chǎn)品容量大，現(xiàn)有的單個(gè)的后備熔斷器以及插入式熔斷器已不能達(dá)到容量及參數(shù)匹配。

設(shè)計(jì)中通過(guò)高壓繞組拆分成各50%額定容量的2部分，分別接成D接，再串入后備熔斷器+插入式熔斷器，之后兩路高壓繞組再并聯(lián)成一路經(jīng)負(fù)荷開關(guān)引出，突破單組熔斷器（插入式+后備）無(wú)法滿足變壓器保護(hù)選型的限制，創(chuàng)新了35 kV電壓等級(jí)大容量光伏發(fā)電用組合式變壓器整機(jī)保護(hù)技術(shù)方案。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.1 采取雙器身技術(shù)方案

采用2個(gè)磁路上相互獨(dú)立的三相三柱式鐵心，電路：高壓雙器身并聯(lián)，每個(gè)器身低壓雙分裂，整臺(tái)變壓器實(shí)現(xiàn)低壓四分裂，技術(shù)方案可靠性高；由于該項(xiàng)目產(chǎn)品容量大、低壓輸出支路多，并且要裝入集裝箱運(yùn)輸，產(chǎn)品的外型尺寸受到集裝箱尺寸的限制，尤其是高度上，給變壓器設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

2.2 耐熱紙+FR3油組合高溫絕緣系統(tǒng)

采用耐熱紙+FR3油的絕緣材料組合方式構(gòu)建耐高溫絕緣系統(tǒng)，使變壓器繞組平均溫升上限達(dá)85 K、油面溫升上限達(dá)90 K；由于該項(xiàng)目為高溫絕緣系統(tǒng)，其溫升限值高于常規(guī)的A級(jí)絕緣產(chǎn)品，達(dá)到了繞組85 K，油面90 K。絕緣材料也不同于常規(guī)產(chǎn)品，應(yīng)該選擇更高耐熱等級(jí)的材料。

2.3 高壓繞組拆分的新型整機(jī)保護(hù)技術(shù)

高壓繞組拆分成各50 %額定容量的2個(gè)部分，分別接成D接，再串入后備熔斷器+插入式熔斷器，之后兩路高壓繞組再并聯(lián)成一路經(jīng)負(fù)荷開關(guān)引出，突破單組熔斷器（插入式+后備）無(wú)法滿足變壓器保護(hù)選型的限制，創(chuàng)新了35 kV電壓等級(jí)大容量光伏發(fā)電用組合式變壓器整機(jī)保護(hù)技術(shù)方案。

3 實(shí)施效果及結(jié)論

該項(xiàng)目?jī)?yōu)化了組合式變壓器的器身結(jié)構(gòu)，采用雙器身共箱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)容量達(dá)到4 000 kVA和低壓四路輸出的要求，同時(shí)，也大大降低了產(chǎn)品高度，使產(chǎn)品可以裝入標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)運(yùn)輸，降低了運(yùn)輸成本。天然酯絕緣油和熱改性絕緣紙的采用，構(gòu)建了變壓器耐高溫絕緣系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品耐熱等級(jí)。通過(guò)對(duì)線圈、引線、油箱等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使組合式變壓器更加緊湊，同時(shí)提高了產(chǎn)品的可靠性。配合結(jié)構(gòu)采用單器身選型并聯(lián)實(shí)現(xiàn)整體保護(hù)，突破了熔斷器的選型局限。

光伏發(fā)電用組合式變壓器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，該項(xiàng)目產(chǎn)品與現(xiàn)有技術(shù)相比，在損耗、重量、占地面積、安全性能、環(huán)保性能等方面全面占優(yōu)。總損耗降低13.8 %，總重降低43 %，占地面積減小70 %，采用天然酯絕緣油作為冷卻介質(zhì)，具有能自然降解、難燃等突出的優(yōu)點(diǎn)，是技術(shù)水平高、市場(chǎng)前景好的新型產(chǎn)品，滿足國(guó)內(nèi)國(guó)際光伏行業(yè)市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的需求，發(fā)展前景廣闊，具有很強(qiáng)的盈利能力。

參考文獻(xiàn)

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