漂浮式海上風電變壓器的設計應用分析

高 超

（上海ABB 變壓器有限公司）

0 引言

漂浮式風機意義不僅體現在可以獲取更豐富的風能，提升海上風電經濟性。更重要的是，漂浮式海上風機的開發應用標志著我國海上風電機組在高端裝備制造能力上實現重要突破，為向可持續能源未來的轉型提供了支持。在漂浮式風機機組中，漂浮式變壓器是重要的組成機構，對風機機組的運行使用起著關鍵作用。

1 漂浮式海上風電干變應用狀況

中國風電通過技術創新取得了巨大成就，為全球綠色發展做出了巨大貢獻。在2020～2022 年期間，我國風電產業裝機穩中向上，為后續發展打下堅實基礎，風電技術創新不斷增強，風電機組進入高速發展階段。

專家們認為，目前國家對于風電行業的政策環境極佳，正在進入新的發展擴充階段。目前，風電產業應做好技術創新工作，保障產品質量與可靠性，并進一步提高優質風能資源的開發和利用，創造更加廣闊的市場空間。要做好風電應用場景的拓展，提升風電市場的消納能力，大力推進以新能源為主體的新型電力系統建設，深海遠海漂浮式技術的廣泛應用將成為必然趨勢。

漂浮式海上風電變壓器可以承受任意空間方向的傾斜、搖擺等嚴苛的物理要求，便于安裝在風機內部，可承受漂浮式海上極端環境工況，適應包括臺風和海上巨浪等帶來的挑戰，滿足深海、遠海的安裝需求。同時，海上漂浮式風電變壓器的應用可以減少近海淺海視覺沖擊和噪聲污染，可獲取轉化更豐富的風能。更具位置靈活性和工程經濟性，有效擴大海上風電的使用范疇，提升海上風電輸電效率，全方位提升海上風電經濟性。這將是海上可再生能源領域的重要突破，為清潔能源的發展帶來巨大的機遇，從而幫助全社會邁向可持續能源的未來。

2 影響漂浮式海上風電干變的因素分析

2.1 變壓器振動問題

以“三峽引領號”漂浮式海上干式變壓器為例，現場振動環境參考如下表所示。

不同于常規的固定式海上風電應用，漂浮式海上風電的基礎部分始終處于三維運動狀態，海浪與海風的耦合效應會對機組產生更加明顯的影響。漂浮式的風電機組基礎所帶來的搖擺、俯仰、移動升降、艄動旋轉等運動與各種現場使用工況相耦合。同時，較高的運動幅值與加速度也會對風電機組整體布局和傳動鏈方案提出新的挑戰。此外，我國沿海區域臺風高發，更是對機組抗臺風性能提出了嚴苛物理要求。因此，變壓器的結構強度、耐久性、連接的防松設計、進出線電纜的固定、接線端子的設計等都是漂浮式海上風電機組設計領域難點中的難點。振動環境風向示意如圖1 所示，振動環境傾斜示意如圖2 所示。

圖2 振動環境傾斜示意

2.2 變壓器組件振動問題

海上風電變壓器除了本體及安裝會面臨較大的振動挑戰外，變壓器常用組件，如控制箱、水冷裝置等也會存在振動的影響問題。在變壓器組件中，水冷裝置和控制箱控制變壓器的運行和運行邏輯，是變壓器的最重要組件。當變壓器處于振動過程中，控制箱中的繼電器、指示燈等電子元器件，會受到變壓器振動的影響，連接松動甚至脫落。水冷裝置內置冷卻芯、風機，并導通冷卻液，在漂浮振動過程中，如果水冷裝置結構不牢靠，會增加水冷裝置緊固件脫落，殼體開裂、漏液的問題。這些都是在振動過程中，變壓器組件會遇到的，需要在設計時著重考慮。

2.3 變壓器溫升問題

為了提高干式變壓器在海上高濕度、高鹽霧的環境下的可靠運行，變壓器的防護等級通常不低于IP44，這種防護可以滿足隔絕外界污穢空氣的設計方案，但同時也增加了散熱設計的問題。溫升是變壓器的重要參數之一，溫升的升高會增加運行風險，減少變壓器使用壽命。對于漂浮式風電干式變壓器，因所處深海遠海區域，變壓器所受潮濕、鹽霧環境較淺海近海會更突出，變壓器的外殼會更加密閉，如果散熱不均勻，散熱不合理，會增大線圈開裂的風險，以及因外殼溫度過高而傳導到控制系統，從而使控制單元受損或失靈。

3 漂浮式海上風電變壓器設計方案

3.1 變壓器結構設計方案分析

風電機組運行過程中，機艙或許時刻都在振動，特別是機組面臨臺風等嚴重的外部物理因素時，振動很大。所以，變壓器的抗振動設計十分關鍵。在實際設計中，通過一些措施可減小變壓器本體變形和緊固件的松動，比如變壓器線圈澆注或組裝為一個剛體，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，固定螺栓的個數，對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，底部采用拉索軟性連接，變壓器上下夾件采用加強支撐連接支架方式，使變壓器與外殼成為一個整體，避免外殼的晃動。

變壓器本體鐵心疊片采用冷軋取向電工鋼帶45°全斜接七級或以上級。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，考慮到會有散熱問題，通常低壓線圈中間設氣道，采用預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，可通過安裝振動傳感器、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行狀態，從而在后續的使用過程中進行監控和作為分析振動的依據支撐。

在整個漂浮式變壓器設計中，結構設計是關鍵，一般采用系統性的傾斜靜力學仿真分析、搖擺動力學仿真等方式輔助設計。

通過對傾斜45°的持續性縱傾、橫傾（模擬任意方向傾斜）以及在X、Y、Z方向的振動過程，變壓器安裝底座為最大應力點，平均最大應力為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發生形變引起的強度失效。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 變壓器組件振動驗證及解決方案分析

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。而考慮到因振動造成的影響較大，通常會進行雙加強筋和連體支撐方式進行固定和加強。同時，對于組件，尤其是水冷裝置等重要組件的仿真分析是必要的。

通過對重要組件45°的持續性縱傾、橫傾以及在X、Y、Z方向的振動過程，變壓器組件與變壓器的外殼連接安裝位置為最大應力點，平均最大應力為X軸電機板7.4Mpa，X軸水冷外殼2.4Mpa，Y軸電機板10.1Mpa，Y軸水冷外殼6.1Mpa，Z軸電機板0.9Mpa，Z軸水冷外殼0.4Mpa，底座和鋼制件連接理論上不會發生形變引起的強度失效。

通過分析，在給定的振動條件下，模型氣室X、Y、Z方向最大應力滿足要求，產品在傾斜45°的四種工況下均可滿足要求。

3.3 變壓器溫升設計方案分析

在漂浮式干式變壓器中，變壓器外殼內部空氣與塔筒或機艙內的空氣流通，機艙內的高潮濕、高鹽霧空氣會進入變壓器外殼，給變壓器造成嚴重腐蝕。甚至，變壓器絕緣表面的污穢物中可溶性物質溶于水，使得表面上形成一層導電膜，從而大大降低變壓器絕緣。在電力場的作用下容易產生劇烈放電現象，即污閃。

為了避免此類情況，常常采用將變壓器安裝在防護等級不低于IP44 的外殼內，采用內部循環冷卻系統與外界循環熱交換的方案：在外殼上設置軸流風機，風道和熱交換裝置系統。在變壓器器身上設置導流隔板。在變壓器運行過程中，在水冷裝置的軸流風機把外殼內熱空氣吸到水冷裝置冷卻芯中，進行熱量交換。外循環把熱量帶走，冷卻的空氣進入外殼下部，在隔板引導下，經過變壓器主空道和低壓線圈內部的低壓氣道，對變壓器線圈進行冷卻。

通過分析，模擬出水冷卻裝置進出風口溫度差、速度差，溫度分布與實際變壓器運行狀態溫度分布一致，這也驗證了IP44 全密閉外殼對于散熱的合理性。

因此，變壓器的散熱不再是一個單獨孤立的系統，它不僅與變壓器自身的散熱有關，還與軸流通風機，熱交換裝置的散熱效率，外循環有關。溫升散熱示意圖如圖6 所示。

圖6 溫升散熱示意圖

4 結束語

漂浮式海上干式變壓器具有更強的抗振、抗腐蝕的特點，可以應對環流、臺風等客觀因素影響較大，可以承受任意空間方向的傾斜、搖擺等嚴苛的振動環境，承擔更高的載荷。因此，在變壓器的抗振動本體設計、外殼設計、組件設計、安裝連接設計、溫升性能優化設計、防腐蝕優化設計中，通過有效的性能加強、仿真輔助等具有重要的設計應用價值。