風(fēng)電雙分裂變壓器半穿越狀態(tài)下的繞組熱點(diǎn)研究與優(yōu)化

摘要：通過運(yùn)用 Magnet和 ANSYS Fluent仿真軟件對(duì) SCSFB11-7400/35風(fēng)電干式雙分裂變壓器在半穿越狀態(tài)下的漏磁場(chǎng)分布、繞組負(fù)載損耗和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，同時(shí)通過溫升試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終確定繞組最熱點(diǎn)的位置和大小。研究的前提條件主要包括變壓器的型號(hào)和參數(shù)、運(yùn)行模式、最熱點(diǎn)限制、換熱器功率、冷卻液溫和冷卻風(fēng)量要求等方面。研究發(fā)現(xiàn)，雙分裂變壓器在半穿越狀態(tài)下的最熱點(diǎn)溫度在低壓下繞組的上部、輻向繞組厚度約2/3（由內(nèi)往外）處，以及可以適當(dāng)調(diào)整低壓導(dǎo)電箔材厚度或/和低壓繞組的匝數(shù)分布來解決半穿越狀態(tài)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(nèi)部最熱點(diǎn)溫度，滿足變壓器可靠和安全運(yùn)行的要求。為風(fēng)電干式雙分裂變壓器的最熱點(diǎn)確定提供了研究方法和途徑，也可以為風(fēng)電干式雙分裂變壓器的深入研究應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;雙分裂變壓器;半穿越繞組熱點(diǎn);溫度場(chǎng)仿真

中圖分類號(hào)：TM41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(fēng)電雙分裂干式變壓器 SCSFB11-7400/35普遍應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某6 MVA海上風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)上，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)兩路變頻器與該型雙分裂變壓器的兩個(gè)低壓繞組連接，構(gòu)成并聯(lián)電氣回路，然后通過高壓繞組實(shí)現(xiàn)升壓和傳輸電能到電網(wǎng)中。由于雙分裂變壓器的特殊結(jié)構(gòu)，一旦其中一路變頻器連接的一個(gè)低壓繞組發(fā)生短路時(shí)，半穿越運(yùn)行時(shí)的阻抗約是正常運(yùn)行時(shí)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(shí)通過兩個(gè)低壓繞組與兩個(gè)變頻器并聯(lián)接線方式，當(dāng)其中一個(gè)變頻器發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)變頻器可以繼續(xù)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組可以維持一定的發(fā)電能力，提高了6 MW海上風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)的可靠性和安全性。同時(shí)，由于該平臺(tái)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(huán)保、過載能力強(qiáng)、免維護(hù)和良好的阻燃特性，也進(jìn)一步提高了6 MW海上風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)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(huán)境溫度、負(fù)荷大小和電能質(zhì)量等，前者起到?jīng)Q定性的作用。對(duì)于雙分裂變壓器來說，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在半穿越且滿負(fù)荷的狀態(tài)是變壓器運(yùn)行的最極端工況，在該狀態(tài)下繞組內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度應(yīng)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(nèi)的絕緣安全和可靠性，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性和可靠性。因此研究和確定半穿越狀態(tài)下的繞組最熱點(diǎn)溫度的位置和大小成為解決該問題的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)半穿越狀態(tài)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(diǎn)溫度是通過平均溫升結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行折算的，而對(duì)于風(fēng)電干式雙分裂變壓器在半穿越狀態(tài)下的繞組最熱點(diǎn)位置和大小的確定以及試驗(yàn)驗(yàn)證鮮見文章報(bào)道。本文通過運(yùn)用 Magnet 和 ANSYS Fluent 仿真軟件對(duì) SCSFB11-7400/35干式雙分裂變壓器在半穿越狀態(tài)下的漏磁場(chǎng)分布、繞組負(fù)載損耗和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，然后基于仿真結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案給出優(yōu)化措施，同時(shí)通過溫升試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終確定繞組的最熱點(diǎn)溫度的位置和大小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本文研究所基于的前提條件為：（1）變壓器運(yùn)行在全密閉外殼內(nèi)，外殼防護(hù)等級(jí) IP44;（2）變壓器的冷卻方式是強(qiáng)迫風(fēng)冷，外殼內(nèi)的空氣通過安裝在外殼側(cè)下方的水冷換熱進(jìn)行熱交換;（3）水冷換熱器的功率是35 kW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)提供的冷卻液的最高溫度為47℃。冷卻風(fēng)量4883 m3/h;（4）半穿越且滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

1 變壓器主要參數(shù)

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

根據(jù) GB1094.11中對(duì)干式變壓器絕緣系統(tǒng)的溫升限值的描述，F(xiàn) 級(jí)絕緣材料最高允許的溫度為155℃?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中絕緣材料的耐熱值偏差5 K ，繞組的最熱點(diǎn)溫度不應(yīng)超過150℃，才能確保變壓器全壽命周期內(nèi)的絕緣壽命安全[6]。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和軟件仿真

2.1 電磁設(shè)計(jì)

使用電磁計(jì)算軟件對(duì)該變壓器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，初步方案的主要數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)電磁計(jì)算結(jié)果，高壓繞組軸向分上下兩段，容量和匝數(shù)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(shù)分布（由內(nèi)往外）為2匝+3匝+3匝+2匝。繞組結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

2.2 漏磁場(chǎng)和損耗分布仿真

雙分裂變壓器的運(yùn)行方式分為全穿越狀態(tài)運(yùn)行和半穿越狀態(tài)運(yùn)行。全穿越狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，低壓繞組1和低壓繞組2之間并聯(lián)，與高壓繞組構(gòu)成滿負(fù)荷運(yùn)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(tài)。半穿越狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，低壓繞組1或低壓繞組2與高壓繞組構(gòu)成一半額定負(fù)荷運(yùn)行電磁回路。由于只有一個(gè)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(tài)運(yùn)行和半穿越狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的漏磁場(chǎng)2D分布如圖2所示。

對(duì)于雙分裂變壓器來說，對(duì)散熱最不利的半穿越狀態(tài)運(yùn)行方式是低壓繞組2和高壓繞組構(gòu)成電磁耦合回路，如圖2（b）所示。由于半穿越狀態(tài)下電流在高壓繞組和低壓繞組的電流分配是不均勻的，導(dǎo)致繞組內(nèi)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(chǎn)生的損耗不同導(dǎo)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(diǎn)。為了計(jì)算繞組不同部位的損耗，需要運(yùn)用 Magnet軟件建立合適的3D 磁場(chǎng)計(jì)算模型，如圖3所示。

根據(jù)3D磁場(chǎng)模型仿真計(jì)算的半穿越狀態(tài)（高壓繞組-低壓繞組2） 下的電流分配數(shù)據(jù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，按照高壓繞組的段數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格化，計(jì)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(jù)損耗分布計(jì)算結(jié)果，可以得出：（1） 半穿越運(yùn)行時(shí)，低壓繞組1和低壓繞組2都會(huì)產(chǎn)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(shí)的損耗增加了43.8%，源于渦流損耗增加;（2）繞組最熱點(diǎn)位于低壓繞組2的第4～8匝（由內(nèi)往外）上端部區(qū)域[7]。

2.3 溫度場(chǎng)分布仿真

將損耗分布的計(jì)算結(jié)果以及強(qiáng)迫風(fēng)冷的風(fēng)量和換熱器出口溫度作為仿真軟件 Ansys Fluent建立溫度場(chǎng)模型的施加載荷條件，該雙分裂變壓器在半穿越狀態(tài)下的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖5（a）所示。由圖可知繞組的最熱點(diǎn)在低壓繞組2的上端部區(qū)域，最熱點(diǎn)溫度約為157℃，超過了第1節(jié)中規(guī)定的最高耐受溫度150℃，需要重新優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。

經(jīng)過分析原因和重新計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：（1） 增加低壓繞組的導(dǎo)體銅箔厚度至2.2 mm ，降低最熱點(diǎn)處的電阻損耗;（2）調(diào)整低壓繞組匝數(shù)分布為2匝+2匝+3匝+3匝（由內(nèi)往外）;（3）優(yōu)化外殼內(nèi)的風(fēng)道設(shè)計(jì)，增加導(dǎo)流板和減小風(fēng)道連接間隙。優(yōu)化后的溫度場(chǎng)分布如圖5 （b）所示，最熱點(diǎn)溫度下降至146℃，滿足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真的結(jié)果，確定繞組的最熱點(diǎn)，在變壓器樣機(jī)的低壓繞組繞制的時(shí)候，在低壓繞組的端部第2匝、第5匝和第8匝（由內(nèi)往外）預(yù)埋 PT100溫度探頭，并連接到溫度記錄儀上，用于測(cè)量半穿越狀態(tài)溫升試驗(yàn)時(shí)這些位置的溫度值。預(yù)埋 PT100溫度探頭布置圖和編號(hào)如圖6所示。

按照 GB1094.2和 GB1094.11的要求，采用模擬負(fù)載法測(cè)試變壓器樣機(jī)的溫升。變壓器樣機(jī)的部分例行試驗(yàn)結(jié)果和溫升試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。由表可知，實(shí)際測(cè)量的半穿越負(fù)載損耗與仿真結(jié)果非常接近。相對(duì)于變壓器全穿越狀態(tài)下運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)載損耗，半穿越狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)負(fù)載損耗增加了41%。

仿真低壓繞組2預(yù)埋的 PT100溫度測(cè)量結(jié)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(diǎn)位于第5～7匝之間的區(qū)域。此外，由于溫升試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的冷卻液進(jìn)水溫度為39.9℃，與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際運(yùn)行時(shí)，低壓繞組2的最熱點(diǎn)溫度可以達(dá)到137.3+7.1=144.4℃，符合設(shè)計(jì)要求，也小于 F 級(jí)絕緣最高耐受溫度，是完全可以接受的。

4 結(jié)束語

本文以應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電6 MW平臺(tái)的樹脂澆注干式雙分裂變壓器 SCSFB11-7400/35為例，通過運(yùn)用 Mag? net和Ansys Fluent軟件仿真和溫升試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了風(fēng)電雙分裂變壓器半穿越狀態(tài)下的繞組熱點(diǎn)問題，結(jié)論如下：

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

（2） 可以適當(dāng)調(diào)整低壓導(dǎo)體箔材的厚度或/和低壓繞組的匝數(shù)布置來改變半穿越狀態(tài)下電流分配不均所造成的損耗集中問題，從而改善繞組內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度;

（3） 溫升試驗(yàn)時(shí)PT100探頭的布置位置對(duì)確定最熱點(diǎn)溫度非常重要，需要結(jié)合溫度場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行科學(xué)布置。

本文研究結(jié)果為海上風(fēng)電雙分裂變壓器的最熱點(diǎn)確定提供了研究方法和途徑，為海上風(fēng)電雙分裂變壓器的深入研究應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

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作者簡(jiǎn)介：周啟峰（1979-），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楦墒阶儔浩鞯拈_發(fā)和設(shè)計(jì)。

（編輯：王智圣）