海上風電用干式變壓器的設計

時連斌 陳 敏 申曉東 李 松 趙雙喜

（1.保定天威風電科技有限公司，河北 保定 071051；2.保定天威順達變壓器有限公司，河北 保定 071051）

目前，風力發電作為一種清潔的可再生能源，在全球范圍內發展迅猛。海上風電由于其資源豐富、風速穩定、對環境的負面影響較少并允許機組制造更為大型化，可以大規模開發等優勢，一直受到風電開發商的關注。

用于升壓并網的電力變壓器，由于海上風力發電機組特殊的運行環境（高濕度、高鹽密度），不能再像陸上機組那樣采用油浸變壓器安裝在機組外部，而通常采用干式變壓器安裝在機艙內，這樣既解決了整個機組的占地面積問題，避免了將變壓器安裝在較低位置所帶來的防護困難問題，同時變壓器靠近風力發電機，變壓器經變流器直接將發電機發出的690V電升壓到35kV，大大降低了低壓電纜的使用量，從而降低了整個風機的成本。

1 典型海上風力發電機組干式變壓器技術要求

額定容量：3300kVA（風電機組容量3MW）；

額定高壓：35kV；

額定低壓：0.69kV；

聯接組別：Dyn11；

短路阻抗：8%；

絕緣等級：F；

溫升限值：100K；

絕緣水平：LI170AC70/AC3；

空載損耗：≤6700W；

負載損耗：≤25800W（75℃）；

冷卻方式：AF；

噪聲：≤78dB（A）（聲功率級）；

氣候等級：C2；

環境等級：E2；

燃燒等級：F1；

重量：≤8000kg

外形尺寸：≤2800mm×2000mm×2500mm（長×寬×高）。

2 變壓器設計方案

為了適應在機艙內運行時嚴酷的氣候和環境條件，干式變壓器應具有抗腐蝕能力強的特點。同時，干式變壓器安裝在海上風機機艙內，維護和維修成本高，干式變壓器應具有較高可靠性。由于樹脂澆注干式變壓器在耐環境、耐氣候和抗短路能力的性能上更為優越，故首選此類干式變壓器。

2.1 本體設計方案

鐵心疊片采用冷軋取向電工鋼帶，45°全斜接五級接縫；高壓線圈采用分段圓筒式，采用真空澆注工藝；低壓線圈采用箔繞，設軸向氣道，采用預浸絕緣端部樹脂密封固化。

由于機艙尺寸的限制以及對載荷的要求，干式變壓器外形尺寸不能過大，重量不能過重。通常，采用銅繞組時，變壓器尺寸小，重量重；而采用鋁繞組時，變壓器尺寸大，重量輕。所以在電磁計算階段，要反復比較，滿足用戶使用要求。

2.2 防腐設計

一般變壓器，冷卻方式采用自冷或風冷，變壓器外殼內部空氣與機艙內的空氣流通，機艙內的高潮濕高鹽霧的空氣進入變壓器外殼，造成變壓器結構件被嚴重腐蝕。更為嚴重的是在這種環境下，變壓器絕緣表面的污穢物中可溶性物質逐漸溶于水，表面上形成一層導電膜，使絕緣的絕緣水平大大降低，在電力場的作用下容易產生劇烈放點現象，即污閃，這是導致風電機組火災的主要可能因素之一。

圖1 被海鹽腐蝕的線圈

為了避免此問題，采用將變壓器安裝在防護等級大于IP44的外殼內，使用內部循環冷卻系統與外界進行熱交換的方案。這樣，變壓器本體防腐設計難度大大降低，防腐重點轉移到外殼上。

而外殼的防腐相對容易些，一般，采用專門的噴涂工藝，達到《ISO12994 Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems》中要求的C4等級。

2.3 抗振設計

風電機組運行過程中，機艙時刻都在振動，特別是機組偏航迎風過程和制動過程中振動很大。所以，變壓器的抗振設計也非常重要。通過一些措施可減小變壓器器身變形和緊固件的松動：變壓器線圈澆注為一個剛體，使線圈自身具有良好的抗振能力；增加變壓器底墊腳的個數及固定螺栓的個數，對變壓器起到很好的固定作用；變壓器上夾件上安裝長螺桿與外殼頂部的支架相連，使變壓器與外殼成為一個整體，避免外殼的晃動。此外，變壓器上所有的緊固件均采用防松措施，避免變壓器部件的脫落和器身傾倒。

2.4 通風散熱設計

在外殼上設置軸流通風機、風道和熱交換裝置；在變壓器器身上設置導流板，如圖2所示。這樣，在變壓器運行過程中，軸流風機把外殼內熱空氣吸入風道，在熱交換裝置處進行熱量交換，外部水泵和外部熱交換裝置通過水循環把熱量帶走，冷卻的空氣進入外殼下部，在空氣導流板引導下，經過變壓器主空道和低壓線圈內部的氣道，對變壓器線圈進行冷卻。

圖2 變壓器散熱結構

顯而易見，變壓器的散熱不再是一個孤立的系統，它不僅與變壓器自身的散熱結構有關，還與軸流通風機的通風量、熱交換裝置的散熱效率、外部水泵和外部熱交換裝置性能息息相關，這是一個復雜的大的系統。在樣機設計中，可結合計算機仿真分析，設定一定的溫升余量，待批量生產時根據試驗結果進行再優化設計。

2.5 可維護性設計

風力發電機組安裝在近海海域，維護困難，維護費用非常高。所以干式變壓器設計應充分考慮其維護性。

外殼采取拼接結構，可以方便的拆散，便于對變壓器大部件如高壓線圈等進行更換；通風散熱系統的軸流風機使用壽命一般為40000h，為了保證機組發電量和可利用率，采用一用一備形式。

3 試驗驗證

經過對SCB9-3300/35樣機測試，各項性能指標滿足要求，見表1。

表1 SCB9-3300/35主要試驗數據

4 結論

考慮到海上風電場的使用環境和安全性能要求，設計干式變壓器時應重點對變壓器的防腐、抗振、通風散熱、可維護性進行特殊設計。

隨著海上風力發電的持續升溫，用于海上風力發電的干式變壓器市場將前景廣闊。