臨海風電組合變壓器的優化設計

摘 要 組合式變壓器又叫做美式箱變，是一種將開關設備、變壓器器身、熔斷器、開關設備、輔助設備、分接開關等組合到一起的變壓器。風力作為一種清潔能源，通過將風力發電中應用組合式變壓器可以顯著提高發電質量和發電效率，因此本文重點對海上風電變壓器的特點和要求進行了分析，然后對海上風力變壓器的設計要點進行了探討，以降低系統故障，保證海上風電變壓器的可靠性。

【關鍵詞】風電組合 變壓器優化 結構設計

隨著環境污染問題日益嚴峻，可用能源日益減少，人們對風力發電的重視度不斷提升。海上風場風力資源具有風速大、密度高、資源多、風力穩定等優點，而且在海上建設風電場并不會占用耕地，風電機組的吊裝和運輸也比較方便，但是由于海上環境存在霉菌、鹽霧、濕熱等情況，會影響風電機組的使用年限。變壓器作為風電機組的重要部分，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，所以在進行海上風電機組設計過程中需要重點進行研究，并作出合理的設計。

1 風力發電體系的類別和基本特點

風力發電的基本原理是將風能轉化為機械能之后再轉變為電能的基本過程，而風力發電系統的基本特點如下：

（1）獨立運行的風電體系主要劃分為充電型和動力型兩種，其主要適用于機組容量比較小的情況。

（2）并網運行的基本方式是借助同步發電機或者異步發電機作為動力和電網并聯運行。經過并網之后電壓和頻率完全取決于電網。在電網無窮大時將會產生極強的牽制力，自身也會產生巨大的能量吞吐能力。對于并網之后的風力發電機來說，其輸出電能的大小將直接由風力大小決定。該種運行方式要求風力發電機必須得到并網和解列控制，而并網的前提條件則是風力發電機和電網的頻率完全一致。

在風力發電機因為風速過小而不能輸出電能時便會從電網解列。對于風力發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。在該體系中應包含至少一種穩定能源，只有這樣才能夠有效保證系統供電的連續性和穩定性。

2 海上風電機組變壓器建設的基本要求

海上風電機組專用變壓器的基本作用是將風電機組所產生的低壓電能經過升壓轉變為10kV或者35kV的高壓電后通過海底電纜將其輸送到風電場升壓站。對于海上風電機組來說，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部或者機艙中予以綜合，而海上風電變壓器的技術特點主要有以下幾點：

（1）自身的發熱量較小。因為風力發電自身具有極為顯著的季節性，變壓器的空載時間過長，年負載率平均只有30%，因此應當將空載所產生的損耗降到最低；與此同時由于變壓器處于塔筒內部或者機艙中，不利于散熱，其在帶負載狀態下工作的效率應當更高。

（2）自身的耐候性必須更強，具有較強的抗風化腐蝕作用。在風力資源極為豐富的海上和沿海地區，鹽霧和霉菌以及濕熱等惡劣的氣候環境會對變壓器造成致命性的損傷。此外在沒有吊裝時發電機可能長時間放置于野外受到暴曬和腐蝕等作用，該種現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，自身的機械強度必須更高，外形美觀，方便吊裝。因為變壓器所放置的塔筒和機艙空間較為狹小并且具有較強的不規則性，與此同時必須充分考慮電氣安全間隙和機組的單位容量重量等多種因素，因此對于變壓器在設計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。海上風機必須講過長距離和不同方式的運輸以及吊裝，其整體過程極為艱難，在此過程中必然會受到振動和樁基，因此要求變壓器自身具有極強的機械強度。

（4）對于變壓器技術的要求。因為海上風電機組自身受到交通和周圍環境的限制，在日常維護和檢修過程中都必須花費大量的人力和物力，整體投入成本較大，在維護過程中每次都會造成機組長時間停運，對風電機組的使用率造成了極為顯著的影響。基于此必須通過安全、實用、經濟的角度進行產品設計，要求負荷開關和變壓器兩者采取分箱結構，箱體體積應當按照需求進行設計，盡可能降低整體尺寸，實現箱體的密封性和美觀性。高壓電纜接線應當采用一進一出的基本設計，變壓器散熱片自身應當包含防碰撞保護，變壓器不能出現滲漏油的現象。其基本原理如圖1所示。

3 對于海上風電機組變壓器的說明

3.1 變壓器冷卻的基本方式

根據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高以及散熱性能較好等特點，但是其自身存在較為嚴重的漏油現象，在產生故障時極有可能出現噴油和燃燒的可能，對于環境污染較為嚴重，在塔筒或者機艙中使用時極為危險，此外其自身還具有難以維護和重量過大的缺陷，因此不適合在海上風電機組中使用；對于干式變壓器來說，其自身具有安全、干凈、耐阻燃、容易維護以及抗短路能力強等多種性質，但是因為體積較大，耐壓等級較低以及在戶外安裝較為艱難等缺陷，但是其相對于油浸式變壓器更適合海上風電機組的安裝。對于氣體變壓器來說，其通常會使用SF6作為冷卻和絕緣介質，其中SF6氣體具有無毒無味不燃燒的優勢，其自身結構和油浸式變壓器基本相同，在具有油浸式變壓器優勢的同時有效克服了其缺陷，使得日常維護更加容易，對于環境所產生的污染較小，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電機組的安裝。

3.2 防止滲漏油的基本方式

組合式變壓器出現滲漏油的根本原因主要包括以下幾點：一是運輸和安裝過程中振動和變壓器運行過程中油溫變化以及正常運行狀態下箱體受外力影響造成的。二是產品自身原因，因為存在散熱片結構形式和材質以及焊接質量、套管以及密封件老化等多種問題。在實際運行過程中變壓器內部油箱會存在一定壓力，而該壓力會隨著變壓器運行情況不斷變化，倘若油箱鋼板強度不能滿足需求，經過長期運行便會在內部壓力變化的直接影響下出現微孔，繼而出現滲漏油現象。此外倘若套管自身存在一定的質量缺陷，在內部壓力不斷變化的長期影響下，會出現裂縫，進而出現滲漏油現象。

3.3 防止鹽霧腐蝕的基本方式

對于海上風電集電變壓器來說必須加強防腐作用，基于此必須對箱體進行必須的特殊工藝處理。借助酸性物質全面去除雜質和氧化物后噴涂一層專用的環氧富鋅防腐底漆，之后將其放入烘房之中再進行氟碳面漆的噴涂，最終將其放入烘房中進行烘烤促使表面固化。根據上述生產要求，所生產形成的箱體經過模擬實驗完全可以滿足海上風電機組安裝的基本要求。此外為了有效避免鹽霧腐蝕前室中的配件，應當將前室設計成為全封閉結構，取消常規設計過程中存在的百葉窗等結構，并在密封面上增加橡膠對其進行完全密封。

3.4 對于散熱片的保護措施

風電集電變壓器的箱體可以劃分為三個部分，即散熱器、油箱以及前室。其中最為薄弱的便是散熱器。風力機電變壓器的使用場所通常為沿海地區的野外，周圍常常會有農民出入。為了有效避免人為破壞，必須對散熱器進行必要的保護。防護罩主要使用34511鋼板圍住散熱器五個面，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。箱體和防護罩的簡圖如圖2所示。

3.5 對于負荷開關分箱的結構設計

針對風電集電變壓器的實際使用環境和條件，負荷開關和變壓器應當采取分箱結構進行時設計。一是風電集電變壓器出線到主變線路上，只有風電集電變壓器內部的負荷開關產生斷開開關的基本作用，相對于普通組合式變壓器，該負荷開關操作的基本頻率應當提升；二是風電集電變壓器內部負荷開關在實際操作過程中會產生電弧，繼而引起絕緣油老化和積碳等多種問題，對電壓器和開關自身的絕緣性產生較大影響。因此在負荷開關設計過程中應當增加一個小油箱，并采取與變壓器主油箱完全隔離的方式，保證變壓器的實際使用壽命。

4 結束語

綜上所述，海上風電變壓器由于運行環境惡劣，導致變壓器的機組故障率非常高。一旦變壓器出現故障不僅維修困難，而且維修成本很高，為了降低故障需要科學進行設計，采取相應的保護措施，科學的選擇材料，以保證風電場的穩定運行。

參考文獻

[1]蔡言斌.風電大規模并網后地區電網無功電壓優化[D].濟南：山東大學，2014.

[2]劉偉.風電場集群優化調度研究[D].北京：北京交通大學，2011.

作者簡介

黃成（1963-），男，廣東省雷州市人。大學本科學歷。現為湛江高壓電器有限公司工程師。研究方向為變壓器設計方面。

作者單位

湛江高壓電器有限公司 廣東省湛江市 524000