海上升壓站主變壓器的選擇研究

李潤源 陸軼祺 解大

摘 要： 主變壓器作為海上升壓站的心臟，具有極其重要的地位。主變壓器出現(xiàn)各種故障后，既可能造成風(fēng)電場發(fā)電效益損失，也會(huì)引發(fā)短路造成財(cái)產(chǎn)和人員損失，因此變壓器的安全運(yùn)行是非常重要的。本文以具體的400MW海上風(fēng)電場為例從環(huán)境及安裝、容量、臺(tái)數(shù)、繞組、相數(shù)、調(diào)壓與冷卻方式等方面針對(duì)如何合理選擇主變壓器進(jìn)行分析，并針對(duì)繞組數(shù)量的不確定性進(jìn)行了低壓側(cè)雙分裂繞組以及雙繞組變壓器的短路電流校驗(yàn)。推薦400MW海上風(fēng)電場海上升壓站安裝2臺(tái)容量為240/120-120 MVA，220/35-35kV的三相、銅繞組、自然油循環(huán)自冷卻型、油浸式、低損耗、低壓側(cè)雙分裂、有載調(diào)壓升壓式電力變壓器。

關(guān)鍵詞： 海上升壓站;變壓器;雙分裂繞組;短路電流計(jì)算

根據(jù)我國《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，截至2020年，我國海上風(fēng)電開工建設(shè)目標(biāo)規(guī)模10GW，確保并網(wǎng)5GW。“十三五”以來，國內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模越來越大，逐漸向更深更遠(yuǎn)的海域進(jìn)軍，由于35kV線路損耗、電壓降、傳輸容量和海域使用面積增大等問題，傳統(tǒng)的設(shè)置陸上升壓變電站結(jié)合35kV海纜集電線路的方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)上已不可行。在海上設(shè)置一座海上升壓站匯集35kV集電線路后通過220kV海纜送出已成為主流建設(shè)方案。主變壓器作為海上升壓站的心臟，具有極其重要的地位。主變壓器出現(xiàn)各種故障后，既可能造成風(fēng)電場發(fā)電效益損失，也會(huì)引發(fā)短路造成財(cái)產(chǎn)和人員損失，因此變壓器的安全運(yùn)行是非常重要的。目前海上風(fēng)電場主流開發(fā)規(guī)模已由早期的100MW、200MW發(fā)展到現(xiàn)在的400MW容量。

截止到2013年，全球海上風(fēng)電的總?cè)萘恳呀?jīng)達(dá)到7045.9MW。[1]雖然海上風(fēng)電發(fā)展迅速，并且擁有著環(huán)境友好，占地面積小的優(yōu)勢;造假昂貴以及較低的可靠性仍然限制了海上風(fēng)電在全球范圍內(nèi)的普及。因此海上風(fēng)場的建設(shè)研究主要集中于合理布局以及設(shè)備的可靠性方面。

為了提高海上風(fēng)電的可靠性，提供有效的海上升壓站主變電站選擇方案。本文以具體的400MW海上風(fēng)電場為例從環(huán)境及安裝、容量、臺(tái)數(shù)、繞組、相數(shù)、調(diào)壓與冷卻方式等方面針對(duì)如何合理選擇主變壓器進(jìn)行分析，并針對(duì)繞組數(shù)量的不確定性進(jìn)行了低壓側(cè)雙分裂繞組以及雙繞組變壓器的短路電流校驗(yàn)。

1 海上升壓站主變選擇分析

1.1 環(huán)境及安裝因素

海上升壓站電氣設(shè)備位于海洋環(huán)境，污穢等級(jí)高，濕度最大可達(dá)90%以上，因此海上電氣設(shè)備需合理選擇防腐方案、電氣距離、設(shè)備材質(zhì)、絕緣方法等。

電氣設(shè)備在運(yùn)輸過程及海上升壓站運(yùn)行過程中，均有風(fēng)浪、潮流等外部環(huán)境影響，因此設(shè)備應(yīng)具有抗傾斜、抗振動(dòng)、抗震的能力，并在本體適當(dāng)位置設(shè)置固定用元件以便適航固定。[2]

目前海上升壓站基本上采用整體吊裝法，如圖1所示。但整體重量越大，可供使用的吊裝船只數(shù)量越少，越不利于施工招標(biāo)。同時(shí)海上升壓站的平臺(tái)尺寸重量、建造成本也和電氣主設(shè)備大小息息相關(guān)。因此電氣設(shè)備在滿足安全運(yùn)行和維護(hù)檢修基本要求基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮緊湊化和模塊化布置設(shè)計(jì)。[3]

海上升壓站離岸基較遠(yuǎn)，設(shè)備故障后恢復(fù)時(shí)間較長，因此應(yīng)選用可靠性高的電氣設(shè)備以減少停電損失。

1.2 容量及臺(tái)數(shù)

主變壓器的容量和臺(tái)數(shù)選擇既要滿足風(fēng)電場的正常發(fā)電需要，又要降低變壓器損耗減少不必要的電量浪費(fèi)。[4]

從經(jīng)濟(jì)角度看，在同樣的負(fù)載條件下，單臺(tái)大容量變壓器比用數(shù)臺(tái)小容量變壓器要經(jīng)濟(jì)。但海上風(fēng)電有其特殊性，海上升壓站離岸基較遠(yuǎn)，設(shè)備故障后恢復(fù)時(shí)間較長。當(dāng)僅選用一臺(tái)主變時(shí)，主變故障或者檢修將造成長時(shí)間的停電損失。因此推薦海上升壓站主變臺(tái)數(shù)為2臺(tái)。[5]

主變壓器的實(shí)物圖如圖2所示。變壓器的損耗分為空載損耗和負(fù)載損耗。空載損耗即為鐵損，此為變壓器的固定損耗，隨變壓器的額定容量增大而增大。負(fù)載損耗即為銅損，此為變壓器的變化損耗，隨變壓器的負(fù)載增大而增大。海上風(fēng)電場出力日變化和月變化較明顯，有很強(qiáng)的周期性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滿載出力概率較低。同樣從經(jīng)濟(jì)角度上看，相同變壓器臺(tái)數(shù)情況下，變壓器容量越小越經(jīng)濟(jì)。結(jié)合文獻(xiàn)[6]的要求，單臺(tái)主變壓器可送出風(fēng)電場容量60%以上的容量，因此400MW海上風(fēng)電場可選用2臺(tái)容量為240MVA的主變壓器。

1.3 繞組數(shù)量選擇

海上風(fēng)場目前風(fēng)電機(jī)組變壓器出口電壓均為35kV，因此主變壓器僅設(shè)置兩側(cè)電壓，主變壓器可以選用240MVA的低壓側(cè)雙分裂繞組變壓器或者雙繞組變壓器。從經(jīng)濟(jì)上雙繞組變壓器明顯更優(yōu)，但是后文仍需結(jié)合短路電流校驗(yàn)來確定繞組數(shù)量。

1.4 相數(shù)選擇

變壓器可以選擇采用三相變壓器，也可選擇3個(gè)單相變壓器組成的單相變壓器組。

220kV變壓器若不受運(yùn)輸條件的限制，應(yīng)選用三相變壓器。

海上升壓站一般在碼頭建造之后即出海安裝，不存在運(yùn)輸問題。同時(shí)如若選擇采用單相變壓器，則其總體所需空間偏大，會(huì)增加海上升壓站建設(shè)成本。

故400MW海上風(fēng)電場推薦采用三相變壓器。

1.5 調(diào)壓與冷卻方式

主變壓器采用有載調(diào)壓方式，并通過調(diào)整主變壓器分接頭來調(diào)整風(fēng)電場內(nèi)電壓，確保本場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行。

主變壓器采用的冷卻方式一般有四種：自然風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻、強(qiáng)迫或?qū)蛴脱h(huán)冷卻。

自然風(fēng)冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)為受外部條件制約少，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)為散熱器體積較大。

強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)為散熱效果好，可減少變壓器本體和散熱器體積，節(jié)約設(shè)備制造材料。缺點(diǎn)為需要新增設(shè)置一套冷卻系統(tǒng)，受電源質(zhì)量和冷卻系統(tǒng)本身質(zhì)量影響較大。

結(jié)合海上升壓站的高可靠性要求，推薦400MW海上風(fēng)電場主變壓器冷卻方式為自然風(fēng)冷卻方式。

1.6 其他要求

結(jié)合海上升壓站的環(huán)境及安裝因素，主變壓器還應(yīng)滿足下列要求：

變壓器應(yīng)具有高度的短路、絕緣、附件可靠性。應(yīng)能抵抗突發(fā)短路事故而不造成線圈損壞，絕緣結(jié)構(gòu)可靠，局放水平低。

變壓器應(yīng)具有高度的耐腐蝕性。設(shè)備的外殼、連接部件、裸露金屬部分、與大氣長時(shí)間直接接觸等部分進(jìn)行防腐蝕特殊處理，部分材質(zhì)應(yīng)選用316不銹鋼。要求對(duì)瓦斯繼電器、有載調(diào)壓電動(dòng)機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)系統(tǒng)、壓力釋放閥、油位計(jì)外殼、中性點(diǎn)設(shè)備支架底座及其它重要電氣設(shè)備加強(qiáng)防腐措施。變壓器油箱、儲(chǔ)油柜等主體鋼結(jié)構(gòu)件及外殼、導(dǎo)油管等部件連接處應(yīng)達(dá)到C5-M 防腐等級(jí)。

變壓器應(yīng)具有免維護(hù)性，冷卻設(shè)計(jì)合理可靠，變壓器預(yù)期壽命至少應(yīng)超過30 年，正常運(yùn)行時(shí)達(dá)到25 年免維護(hù)。

2 短路電流校驗(yàn)計(jì)算參數(shù)

按照當(dāng)前的海上風(fēng)電場距離岸基至少10km的開發(fā)政策，假定本海上風(fēng)場海上升壓站距陸上集控中心為15km。假定海上升壓站220kV側(cè)為線路變壓器組接線，35kV側(cè)為單母線分段接線。

本工程取陸上220kV集控中心220kV母線的三相短路電流為50kA來計(jì)算。取基準(zhǔn)容量為100MVA，取短路點(diǎn)平均工作電壓Uj=230kV、37kV、0.72kV。

海上升壓站至陸上集控中心220kV海纜線路長度約為15km，海纜阻抗按0.2Ω/km考慮。主變分別按照低壓側(cè)雙分裂繞組變壓器和雙繞組變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。短路計(jì)算時(shí)將風(fēng)機(jī)的次暫態(tài)短路電流暫按風(fēng)機(jī)額定電流的1.5倍計(jì)。[7]5MW風(fēng)機(jī)配套35kV干式變壓器額定容量為5700kVA，阻抗電壓按8%考慮。[8]分裂繞組變壓器參數(shù)按照全穿越14%，半穿越26%，Kf=3.2考慮，雙繞組變壓器阻抗電壓按14%考慮。

系統(tǒng)及各元件參數(shù)標(biāo)幺值計(jì)算如下，具體參數(shù)值如表1所示：

（1）系統(tǒng)阻抗：

X1*= 1 I* = Sj? 3 UjI?? （1）

（2）單回220海纜阻抗：

X2*=X Sj U2j?? （2）

（3）低壓側(cè)雙分裂繞組變壓器阻抗：

X3*=X1-2 1- 1 4 Kf = U1-2% 100 × Sj Se? 1- 1 4 Kf?? （3）

X4*=X5*= 1 2 KfX1-2= 1 2 Kf U1-2% 100 × Sj Se?? （4）

（4）雙繞組變壓器阻抗：

X6*= Ud% 100 × Sj Se?? （5）

（5）單臺(tái)風(fēng)機(jī)配套35kV干式變壓器阻抗：

X7*= Ud% 100 × Sj Se?? （6）

（6）單臺(tái)風(fēng)機(jī)阻抗：

X8*= Sj S''d?? （7）

3 方案對(duì)比

3.1 采用雙分裂繞組變壓器

安裝2臺(tái)容量為240/120-120 MVA，電壓為220/35-35kV的低壓側(cè)雙分裂繞組變壓器，220kV側(cè)為線路變壓器組接線，35kV側(cè)為單母線4分段接線。

正常運(yùn)行工況下，即35kV分段斷路器分列，兩臺(tái)主變低壓側(cè)每個(gè)分裂繞組所在母線各帶20臺(tái)5MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的短路電流計(jì)算電氣等值阻抗見圖3（a），短路電流計(jì)算成果見表2。

極端運(yùn)行工況下，即1臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，35kV分段斷路器并列，另一臺(tái)主變每個(gè)低壓側(cè)分裂繞組所在母線各帶40臺(tái)5MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的短路電流計(jì)算電氣等值阻抗見圖3（b），短路電流計(jì)算成果見表2。

由短路電流計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)主變?yōu)榈蛪簜?cè)雙分裂繞組變壓器時(shí)，正常運(yùn)行工況和極端運(yùn)行工況下35kV母線發(fā)生故障的短路電流分別為15.68kA和17.84kA，均小于20kA。

3.2 采用雙繞組變壓器

安裝2臺(tái)容量為240 MVA的220/35kV的雙繞組變壓器，220kV側(cè)為線路變壓器組接線，35kV側(cè)為單母線分段接線。

正常運(yùn)行工況下，即35kV分段斷路器分列，兩臺(tái)主變低壓側(cè)繞組所在母線各帶40臺(tái)5MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的短路電流計(jì)算電氣等值阻抗見圖4（a），短路電流計(jì)算成果見表3。

極端運(yùn)行工況下，即1臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，35kV分段斷路器并列，另一臺(tái)主變低壓側(cè)繞組所在母線帶80臺(tái)5MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的短路電流計(jì)算電氣等值阻抗見圖4（b），短路電流計(jì)算成果見表3。

由短路電流計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)主變?yōu)殡p繞組變壓器時(shí)，正常運(yùn)行工況和極端運(yùn)行工況下35kV母線短路電流分別為26.86kA和31.08kA，最近一臺(tái)風(fēng)機(jī)距離海上升壓站較近，經(jīng)計(jì)算風(fēng)機(jī)配套升壓變35kV側(cè)短路電流大于20kA，不滿足目前市場上風(fēng)機(jī)廠家的風(fēng)機(jī)配套35kV環(huán)網(wǎng)柜額定短時(shí)耐受電流水平20kA要求。

故400MW海上風(fēng)電場推薦采用2臺(tái)容量為240/120-120 MVA的220/35-35kV的低壓側(cè)雙分裂繞組變壓器。

但當(dāng)風(fēng)電場容量減小，或者海纜長度變長時(shí)，仍需進(jìn)行短路電流計(jì)算校驗(yàn)，當(dāng)能滿足風(fēng)機(jī)配套35kV環(huán)網(wǎng)柜額定短時(shí)耐受電流水平20kA要求時(shí)，仍宜優(yōu)先選用雙繞組變壓器。

4 結(jié)論

本文以具體的400MW海上風(fēng)電場為例，提供結(jié)合實(shí)際的海上升壓站主變選擇方案，推薦400MW海上風(fēng)電場海上升壓站安裝2臺(tái)容量為240/120-120 MVA，220/35-35kV的三相、銅繞組、自然油循環(huán)自冷卻型、油浸式、低損耗、低壓側(cè)雙分裂、有載調(diào)壓升壓式電力變壓器。

海上升壓站主變選擇不能簡單地從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，還應(yīng)充分考慮海上升壓站環(huán)境及安裝因素及升壓站相關(guān)聯(lián)的風(fēng)機(jī)設(shè)備制造能力水平。

隨著海上風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展和設(shè)備可靠性的進(jìn)一步提高，陸上的其他傳統(tǒng)限流措施在海上升壓站也將會(huì)得到應(yīng)用，屆時(shí)主變壓器如何合理選擇還需要繼續(xù)研究探討。

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