35kV耐高溫光伏發電用組合式變壓器研制

李新建 趙峰 郭艷君

摘 要：應用于美國市場的耐高溫光伏發電用組合變壓器具有容量大、低壓支路多、溫升限值高、結構緊湊的特點。為了滿足上述產品需求，研制了35 kV耐高溫組合式變壓器，從器身結構、高溫絕緣介質、保護方式等方面著手，對高溫絕緣材料的選取、應用FR3油的絕緣結構、溫升計算方法、內部引線結構、保護方式、相應組部件選取、小型化設計等方面進行了研究。

關鍵詞：組合變壓器；雙器身；耐高溫；熔斷器并聯

中圖分類號：TM402 文獻標志碼：A

0 前言

近些年，光伏發電領域是投資與研究的熱點領域，相關領域技術在不斷發展。該領域追求的目標之一是越來越高的發電效率。提高發電效率的一個途徑是提高單機容量。組合式變壓器具有一二次集成度高、安裝使用方便等優點，在光伏發電領域中大量應用。目前國內所使用的光伏發電組合式變壓器，單機額定容量大多為1 MVA，電壓等級為10 kV或35 kV，絕緣耐熱等級大多為A級，應用礦物油作為絕緣與散熱介質。GE公司為了在技術上取得全球領先地位，準備研發4 MW逆變器，該公司立項研發與之相配套的光伏發電組合式變壓器。該項目不僅要提高單機容量，而且要針對礦物油易燃及不環保的缺點提出解決方案，提出一種耐高溫難燃環保型光伏發電組合式變壓器，達到節能環保、小型化、輕量化與高可靠性的目標。

1 產品研發的關鍵技術

1.1 器身結構優化

由于該項目產品容量大、低壓輸出支路多，并且要裝入集裝箱運輸，產品的外型尺寸受到集裝箱尺寸的限制，尤其是高度上，給變壓器設計提出了很高的要求。

為盡量降低高度，采用了由雙器身構成的四分裂結構。雙器身共用一個油箱，每個器身高壓兩路并聯，低壓雙分裂，2個器身并聯實現單機四分裂，總共四路低壓輸出。這種結構一方面降低了器身的高度，另一方面也使每個器身的結構得到簡化，提高了產品的可靠性。

1.2 絕緣材料優化選取

由于該項目為高溫絕緣系統，其溫升限值高于常規的A級絕緣產品，達到了繞組85 K，油面90 K。絕緣材料也不同于常規產品，應該選擇更高耐熱等級的材料。

產品設計時，根據IEEE C57.154標準，結合光伏箱變的實際運行工況，對變壓器各個部位的發熱、溫升情況進行計算，根據不同的溫升計算結果，來確定每個位置的絕緣材料，而不是一味提高絕緣材料的等級。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。

雙器身結構，每個器身通過拉螺桿拉緊。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，由此構建了變壓器耐高溫絕緣系統，在全面解決礦物油變壓器存在的弊端的同時，突破了油浸式變壓器固有的A級耐熱等級理論框架束縛，提高了變壓器的耐熱等級。針對天然酯絕緣液運動黏度大的缺點，在設計過程中對散熱油隙尺寸進行優化，并對傳統的溫升計算公式進行了修正，使之更適合天然酯絕緣油產品。

1.3 總裝配結構優化

低壓線圈為雙層層式結構，采用厚扁線多根軸向排列繞制，取消輻向排列，繞制時線圈中部不用換位，防止了線圈輻向超差，使線圈繞制更緊實。每個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，提高了生產效率，同時走線更美觀。

油箱采用桶式適形結構，如圖1所示。固定式片散，箱體上備有吊攀，補氣、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。

變壓器頂部充氮氣，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，不帶儲油柜。起吊整個變壓器的吊攀布置于變壓器短軸側，起吊點高于變壓器本體箱蓋，便于起吊整個組合式變壓器。

1.4 保護優化

熔斷器是組合式變壓器里必不可少的部件，主要用于對變壓器二次側短路及過負荷等進行保護。由于該項目該產品容量大，現有的單個的后備熔斷器以及插入式熔斷器已不能達到容量及參數匹配。

設計中通過高壓繞組拆分成各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成一路經負荷開關引出，突破單組熔斷器（插入式+后備）無法滿足變壓器保護選型的限制，創新了35 kV電壓等級大容量光伏發電用組合式變壓器整機保護技術方案。

2 主要創新點

2.1 采取雙器身技術方案

采用2個磁路上相互獨立的三相三柱式鐵心，電路：高壓雙器身并聯，每個器身低壓雙分裂，整臺變壓器實現低壓四分裂，技術方案可靠性高；由于該項目產品容量大、低壓輸出支路多，并且要裝入集裝箱運輸，產品的外型尺寸受到集裝箱尺寸的限制，尤其是高度上，給變壓器設計提出了很高的要求。

2.2 耐熱紙+FR3油組合高溫絕緣系統

采用耐熱紙+FR3油的絕緣材料組合方式構建耐高溫絕緣系統，使變壓器繞組平均溫升上限達85 K、油面溫升上限達90 K；由于該項目為高溫絕緣系統，其溫升限值高于常規的A級絕緣產品，達到了繞組85 K，油面90 K。絕緣材料也不同于常規產品，應該選擇更高耐熱等級的材料。

2.3 高壓繞組拆分的新型整機保護技術

高壓繞組拆分成各50 %額定容量的2個部分，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成一路經負荷開關引出，突破單組熔斷器（插入式+后備）無法滿足變壓器保護選型的限制，創新了35 kV電壓等級大容量光伏發電用組合式變壓器整機保護技術方案。

3 實施效果及結論

該項目優化了組合式變壓器的器身結構，采用雙器身共箱結構，實現了單機容量達到4 000 kVA和低壓四路輸出的要求，同時，也大大降低了產品高度，使產品可以裝入標準集裝箱內運輸，降低了運輸成本。天然酯絕緣油和熱改性絕緣紙的采用，構建了變壓器耐高溫絕緣系統，提高了產品耐熱等級。通過對線圈、引線、油箱等結構的優化，使組合式變壓器更加緊湊，同時提高了產品的可靠性。配合結構采用單器身選型并聯實現整體保護，突破了熔斷器的選型局限。

光伏發電用組合式變壓器是光伏發電系統中的關鍵設備，該項目產品與現有技術相比，在損耗、重量、占地面積、安全性能、環保性能等方面全面占優。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，具有能自然降解、難燃等突出的優點，是技術水平高、市場前景好的新型產品，滿足國內國際光伏行業市場日益增長的需求，發展前景廣闊，具有很強的盈利能力。

參考文獻

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