漂浮式海上風(fēng)電變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

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（上海ABB 變壓器有限公司）

0 引言

漂浮式風(fēng)機(jī)意義不僅體現(xiàn)在可以獲取更豐富的風(fēng)能，提升海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。更重要的是，漂浮式海上風(fēng)機(jī)的開發(fā)應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組在高端裝備制造能力上實(shí)現(xiàn)重要突破，為向可持續(xù)能源未來(lái)的轉(zhuǎn)型提供了支持。在漂浮式風(fēng)機(jī)機(jī)組中，漂浮式變壓器是重要的組成機(jī)構(gòu)，對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)組的運(yùn)行使用起著關(guān)鍵作用。

1 漂浮式海上風(fēng)電干變應(yīng)用狀況

中國(guó)風(fēng)電通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新取得了巨大成就，為全球綠色發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。在2020～2022 年期間，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)裝機(jī)穩(wěn)中向上，為后續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新不斷增強(qiáng)，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入高速發(fā)展階段。

專家們認(rèn)為，目前國(guó)家對(duì)于風(fēng)電行業(yè)的政策環(huán)境極佳，正在進(jìn)入新的發(fā)展擴(kuò)充階段。目前，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)做好技術(shù)創(chuàng)新工作，保障產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，并進(jìn)一步提高優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源的開發(fā)和利用，創(chuàng)造更加廣闊的市場(chǎng)空間。要做好風(fēng)電應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，提升風(fēng)電市場(chǎng)的消納能力，大力推進(jìn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)，深海遠(yuǎn)海漂浮式技術(shù)的廣泛應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)。

漂浮式海上風(fēng)電變壓器可以承受任意空間方向的傾斜、搖擺等嚴(yán)苛的物理要求，便于安裝在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，可承受漂浮式海上極端環(huán)境工況，適應(yīng)包括臺(tái)風(fēng)和海上巨浪等帶來(lái)的挑戰(zhàn)，滿足深海、遠(yuǎn)海的安裝需求。同時(shí)，海上漂浮式風(fēng)電變壓器的應(yīng)用可以減少近海淺海視覺(jué)沖擊和噪聲污染，可獲取轉(zhuǎn)化更豐富的風(fēng)能。更具位置靈活性和工程經(jīng)濟(jì)性，有效擴(kuò)大海上風(fēng)電的使用范疇，提升海上風(fēng)電輸電效率，全方位提升海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。這將是海上可再生能源領(lǐng)域的重要突破，為清潔能源的發(fā)展帶來(lái)巨大的機(jī)遇，從而幫助全社會(huì)邁向可持續(xù)能源的未來(lái)。

2 影響漂浮式海上風(fēng)電干變的因素分析

2.1 變壓器振動(dòng)問(wèn)題

以“三峽引領(lǐng)號(hào)”漂浮式海上干式變壓器為例，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)環(huán)境參考如下表所示。

不同于常規(guī)的固定式海上風(fēng)電應(yīng)用，漂浮式海上風(fēng)電的基礎(chǔ)部分始終處于三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，海浪與海風(fēng)的耦合效應(yīng)會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生更加明顯的影響。漂浮式的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所帶來(lái)的搖擺、俯仰、移動(dòng)升降、艄動(dòng)旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)與各種現(xiàn)場(chǎng)使用工況相耦合。同時(shí)，較高的運(yùn)動(dòng)幅值與加速度也會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組整體布局和傳動(dòng)鏈方案提出新的挑戰(zhàn)。此外，我國(guó)沿海區(qū)域臺(tái)風(fēng)高發(fā)，更是對(duì)機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)性能提出了嚴(yán)苛物理要求。因此，變壓器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性、連接的防松設(shè)計(jì)、進(jìn)出線電纜的固定、接線端子的設(shè)計(jì)等都是漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)領(lǐng)域難點(diǎn)中的難點(diǎn)。振動(dòng)環(huán)境風(fēng)向示意如圖1 所示，振動(dòng)環(huán)境傾斜示意如圖2 所示。

圖2 振動(dòng)環(huán)境傾斜示意

2.2 變壓器組件振動(dòng)問(wèn)題

海上風(fēng)電變壓器除了本體及安裝會(huì)面臨較大的振動(dòng)挑戰(zhàn)外，變壓器常用組件，如控制箱、水冷裝置等也會(huì)存在振動(dòng)的影響問(wèn)題。在變壓器組件中，水冷裝置和控制箱控制變壓器的運(yùn)行和運(yùn)行邏輯，是變壓器的最重要組件。當(dāng)變壓器處于振動(dòng)過(guò)程中，控制箱中的繼電器、指示燈等電子元器件，會(huì)受到變壓器振動(dòng)的影響，連接松動(dòng)甚至脫落。水冷裝置內(nèi)置冷卻芯、風(fēng)機(jī)，并導(dǎo)通冷卻液，在漂浮振動(dòng)過(guò)程中，如果水冷裝置結(jié)構(gòu)不牢靠，會(huì)增加水冷裝置緊固件脫落，殼體開裂、漏液的問(wèn)題。這些都是在振動(dòng)過(guò)程中，變壓器組件會(huì)遇到的，需要在設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮。

2.3 變壓器溫升問(wèn)題

為了提高干式變壓器在海上高濕度、高鹽霧的環(huán)境下的可靠運(yùn)行，變壓器的防護(hù)等級(jí)通常不低于IP44，這種防護(hù)可以滿足隔絕外界污穢空氣的設(shè)計(jì)方案，但同時(shí)也增加了散熱設(shè)計(jì)的問(wèn)題。溫升是變壓器的重要參數(shù)之一，溫升的升高會(huì)增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，減少變壓器使用壽命。對(duì)于漂浮式風(fēng)電干式變壓器，因所處深海遠(yuǎn)海區(qū)域，變壓器所受潮濕、鹽霧環(huán)境較淺海近海會(huì)更突出，變壓器的外殼會(huì)更加密閉，如果散熱不均勻，散熱不合理，會(huì)增大線圈開裂的風(fēng)險(xiǎn)，以及因外殼溫度過(guò)高而傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)，從而使控制單元受損或失靈。

3 漂浮式海上風(fēng)電變壓器設(shè)計(jì)方案

3.1 變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)艙或許時(shí)刻都在振動(dòng)，特別是機(jī)組面臨臺(tái)風(fēng)等嚴(yán)重的外部物理因素時(shí)，振動(dòng)很大。所以，變壓器的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)一些措施可減小變壓器本體變形和緊固件的松動(dòng)，比如變壓器線圈澆注或組裝為一個(gè)剛體，使線圈自身具有良好的抗振能力。增加變壓器底墊腳的個(gè)數(shù)，固定螺栓的個(gè)數(shù)，對(duì)變壓器起到很好的固定作用。底座采用剛性連接方式的同時(shí)，底部采用拉索軟性連接，變壓器上下夾件采用加強(qiáng)支撐連接支架方式，使變壓器與外殼成為一個(gè)整體，避免外殼的晃動(dòng)。

變壓器本體鐵心疊片采用冷軋取向電工鋼帶45°全斜接七級(jí)或以上級(jí)。高壓線圈采用全筒式連繞工藝，采用高壓真空澆注工藝。低壓線圈采用箔繞制，考慮到會(huì)有散熱問(wèn)題，通常低壓線圈中間設(shè)氣道，采用預(yù)浸絕緣端部樹脂密封固化。軸向高度方向，線圈與上、下鐵軛之間采用交錯(cuò)式絕緣墊塊壓接，線圈輻向方向，低壓線圈與鐵心軛柱之間采用硬性連接方式。

同時(shí)，可通過(guò)安裝振動(dòng)傳感器、位移傳感器或其他類型傳感器及配套組件，用于采集變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，從而在后續(xù)的使用過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)控和作為分析振動(dòng)的依據(jù)支撐。

在整個(gè)漂浮式變壓器設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，一般采用系統(tǒng)性的傾斜靜力學(xué)仿真分析、搖擺動(dòng)力學(xué)仿真等方式輔助設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)傾斜45°的持續(xù)性縱傾、橫傾（模擬任意方向傾斜）以及在X、Y、Z方向的振動(dòng)過(guò)程，變壓器安裝底座為最大應(yīng)力點(diǎn)，平均最大應(yīng)力為X軸本體84.602Mpa，X軸本體124.44Mpa，Y軸本體125.31Mpa，Y軸本體84.072Mpa，Z軸本體128.33Mpa，Z軸本體104.19Mpa，底座和鋼制件連接理論上不會(huì)發(fā)生形變引起的強(qiáng)度失效。X、Y、Z方向沖擊云圖如圖3～圖5 所示。

圖3 X 方向沖擊云圖

圖5 Z 方向沖擊云圖

3.2 變壓器組件振動(dòng)驗(yàn)證及解決方案分析

在漂浮式干式變壓器中，變壓器一般采用水冷方式冷卻，各組件面板多為拼裝式模塊面板，緊固方式可采用防松螺栓，螺栓和防松膠水的方式。而考慮到因振動(dòng)造成的影響較大，通常會(huì)進(jìn)行雙加強(qiáng)筋和連體支撐方式進(jìn)行固定和加強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)于組件，尤其是水冷裝置等重要組件的仿真分析是必要的。

通過(guò)對(duì)重要組件45°的持續(xù)性縱傾、橫傾以及在X、Y、Z方向的振動(dòng)過(guò)程，變壓器組件與變壓器的外殼連接安裝位置為最大應(yīng)力點(diǎn)，平均最大應(yīng)力為X軸電機(jī)板7.4Mpa，X軸水冷外殼2.4Mpa，Y軸電機(jī)板10.1Mpa，Y軸水冷外殼6.1Mpa，Z軸電機(jī)板0.9Mpa，Z軸水冷外殼0.4Mpa，底座和鋼制件連接理論上不會(huì)發(fā)生形變引起的強(qiáng)度失效。

通過(guò)分析，在給定的振動(dòng)條件下，模型氣室X、Y、Z方向最大應(yīng)力滿足要求，產(chǎn)品在傾斜45°的四種工況下均可滿足要求。

3.3 變壓器溫升設(shè)計(jì)方案分析

在漂浮式干式變壓器中，變壓器外殼內(nèi)部空氣與塔筒或機(jī)艙內(nèi)的空氣流通，機(jī)艙內(nèi)的高潮濕、高鹽霧空氣會(huì)進(jìn)入變壓器外殼，給變壓器造成嚴(yán)重腐蝕。甚至，變壓器絕緣表面的污穢物中可溶性物質(zhì)溶于水，使得表面上形成一層導(dǎo)電膜，從而大大降低變壓器絕緣。在電力場(chǎng)的作用下容易產(chǎn)生劇烈放電現(xiàn)象，即污閃。

為了避免此類情況，常常采用將變壓器安裝在防護(hù)等級(jí)不低于IP44 的外殼內(nèi)，采用內(nèi)部循環(huán)冷卻系統(tǒng)與外界循環(huán)熱交換的方案：在外殼上設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)道和熱交換裝置系統(tǒng)。在變壓器器身上設(shè)置導(dǎo)流隔板。在變壓器運(yùn)行過(guò)程中，在水冷裝置的軸流風(fēng)機(jī)把外殼內(nèi)熱空氣吸到水冷裝置冷卻芯中，進(jìn)行熱量交換。外循環(huán)把熱量帶走，冷卻的空氣進(jìn)入外殼下部，在隔板引導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)變壓器主空道和低壓線圈內(nèi)部的低壓氣道，對(duì)變壓器線圈進(jìn)行冷卻。

通過(guò)分析，模擬出水冷卻裝置進(jìn)出風(fēng)口溫度差、速度差，溫度分布與實(shí)際變壓器運(yùn)行狀態(tài)溫度分布一致，這也驗(yàn)證了IP44 全密閉外殼對(duì)于散熱的合理性。

因此，變壓器的散熱不再是一個(gè)單獨(dú)孤立的系統(tǒng)，它不僅與變壓器自身的散熱有關(guān)，還與軸流通風(fēng)機(jī)，熱交換裝置的散熱效率，外循環(huán)有關(guān)。溫升散熱示意圖如圖6 所示。

圖6 溫升散熱示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

漂浮式海上干式變壓器具有更強(qiáng)的抗振、抗腐蝕的特點(diǎn)，可以應(yīng)對(duì)環(huán)流、臺(tái)風(fēng)等客觀因素影響較大，可以承受任意空間方向的傾斜、搖擺等嚴(yán)苛的振動(dòng)環(huán)境，承擔(dān)更高的載荷。因此，在變壓器的抗振動(dòng)本體設(shè)計(jì)、外殼設(shè)計(jì)、組件設(shè)計(jì)、安裝連接設(shè)計(jì)、溫升性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、防腐蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過(guò)有效的性能加強(qiáng)、仿真輔助等具有重要的設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值。