錢廣遠

上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司 上海 200063

1 研究背景

變壓器作為風(fēng)電機組中重要的電氣設(shè)備,將風(fēng)電機組發(fā)出電能的電壓抬升到風(fēng)電場集電線路的標(biāo)稱電壓,然后輸入電網(wǎng)接口。海上風(fēng)電機組中的變壓器必須能夠適應(yīng)海上惡劣的運行環(huán)境。

目前,國內(nèi)大多數(shù)風(fēng)電機組廠商和能源用戶基于電網(wǎng)的運行經(jīng)驗,認(rèn)識到普通油浸式變壓器不適用于海上風(fēng)電機組。筆者研究了海上風(fēng)電機組對變壓器的要求,結(jié)合變壓器的實際應(yīng)用經(jīng)驗,給出一種瘦身型高燃點油浸式變壓器的應(yīng)用方案。

2 海上風(fēng)電機組對變壓器的要求

對于陸上風(fēng)電機組而言,由于占地一般不受限制,因此其變壓器一般以箱式變電站的形式布置在塔筒外的地基上。而由于海上風(fēng)電機組中,立于海面的樁基成本高,其面積有限,因此普通油浸式變壓器無法布置于樁基平臺上。同時,海上氣候條件極為惡劣,濕度高,鹽霧腐蝕嚴(yán)重,對變壓器的安全運行會造成威脅?；谝陨显?目前海上風(fēng)電機組都將變壓器布置在塔筒內(nèi)部。海上風(fēng)電機組對變壓器有一些特殊要求,具體分析如下[1]。

2.1 緊湊的外形尺寸

目前,海上風(fēng)電機組底段塔筒平臺直徑普遍為5 m左右,平臺上除了布置設(shè)備外,還要預(yù)留人員操作維護的空間,空間十分緊張,這就使變壓器在滿足機組額定功率輸出的同時,占地面積受到限制。當(dāng)變壓器發(fā)生故障,被移出塔筒時,需要穿過塔筒門。變壓器如果無法拆解,就必須使整體尺寸小于塔筒門輪廓。如果變壓器能夠拆解,那么塔筒內(nèi)部必須有足夠的拆解空間。

2.2 高效的冷卻系統(tǒng)

變壓器在運行過程中會產(chǎn)生巨大的熱量,熱量與變壓器的空載損耗與負(fù)載損耗之和成正比。海上風(fēng)電機組的功率越大,變壓器的容量就越大,變壓器的發(fā)熱量也就越大。為了阻擋海上的濕氣與鹽霧,塔筒一般做成密閉型。即使留有通風(fēng)口,也不會很大,而且必須加裝過濾裝置。可見,需要為變壓器配置一個高效的冷卻系統(tǒng),將變壓器在運行過程中產(chǎn)生的巨大熱量有效釋放到塔筒外。

2.3 良好的環(huán)境適應(yīng)性

由于海上風(fēng)電機組常年處于濕度高、鹽霧重的環(huán)境中,因此即便是在密閉塔筒內(nèi)部,其環(huán)境濕度和鹽霧也比陸上風(fēng)電機組嚴(yán)重得多[2]。濕氣和鹽霧會沉降在塔筒底部,附著在變壓器表面,導(dǎo)致爬電和短路,對布置在塔筒底部的變壓器產(chǎn)生危害。即使變壓器的發(fā)熱量可以蒸發(fā)濕氣,腐蝕性物質(zhì)也還是會殘留在變壓器表面,慢慢地侵蝕表面的防護涂層。可見,變壓器必須具備在如此惡劣環(huán)境中安全穩(wěn)定運行的能力。

2.4 對環(huán)境友好

海上風(fēng)電機組大多建于沿岸和近海,這些區(qū)域是船舶出入頻繁和漁業(yè)賴以生存的區(qū)域。海洋污染會對這些區(qū)域的環(huán)境造成影響,因此變壓器必須對環(huán)境友好,不對海洋產(chǎn)生污染。

2.5 易于維護和保養(yǎng)

海上風(fēng)電機組聳立于水面之上,四面環(huán)海。對海上風(fēng)電機組進行檢查維護時,只能坐船前往。船舶出海的成本很高,這大大提升了海上風(fēng)電場的運行維護成本[3]?？梢?對于海上風(fēng)電機組變壓器而言,要易于維護和保養(yǎng)。

3 瘦身型高燃點油浸式變壓器的應(yīng)用

瘦身型高燃點油浸式變壓器是近年來得到國際社會認(rèn)可,并開始在海上風(fēng)電機組中廣泛應(yīng)用的變壓器。此類變壓器擁有緊湊的外形尺寸、良好的環(huán)境適應(yīng)能力,對環(huán)境友好,易于維護和保養(yǎng),在配置冷卻系統(tǒng)后,可以具備優(yōu)良的冷卻效果。

3.1 外形尺寸

目前,海上風(fēng)電機組的額定功率普遍為4 MW以上,甚至有風(fēng)力發(fā)電機廠商已經(jīng)研發(fā)出8 MW樣機。變壓器的額定容量一般不小于風(fēng)電機組在各種工況下最大輸出功率的1.1倍。以4 MW風(fēng)電機組為例,其變壓器的額定容量為4.5 MW。

瘦身型高燃點油浸式變壓器外形修長,它的外形尺寸為1 800 mm×1 112 mm×2 183 mm,整體占地面積僅2 m2。瘦身型高燃點油浸式變壓器高壓套管采用可觸摸式密封絕緣套管,無需考慮與周邊其它設(shè)備的絕緣距離問題,這為其它設(shè)備和人員維護提供了足夠的空間。變壓器可以與其它設(shè)備一起集中布置在同一個平臺上,而不用占據(jù)多個平臺。如圖1所示,較小的外形尺寸可以使變壓器從較小的塔筒門整體穿過,當(dāng)發(fā)生事故時有利于對變壓器進行整體更換。

圖1 瘦身型高燃點變壓器整體更換

3.2 冷卻系統(tǒng)

油浸式變壓器,尤其是大容量的油浸式變壓器,具有高效的冷卻能力。

瘦身型高燃點油浸式變壓器采用強迫油循環(huán)風(fēng)冷,其側(cè)面沒有波紋散熱片占用周圍空間。同時,由于瘦身型變壓器本體占用空間小,因此可以將整個冷卻系統(tǒng)布置在變壓器旁,如圖2所示[4]。油泵將絕緣油通過輸油管輸送至冷卻器中,鼓風(fēng)箱將塔筒外部空氣從進風(fēng)口吸進來,對冷卻器進行散熱,然后將空氣從排風(fēng)口排出。

整個冷卻系統(tǒng)無需布置在塔筒外部,幾乎不受海上惡劣氣候的影響。冷卻氣體的循環(huán)路徑與塔筒內(nèi)部空氣完全隔絕,保護了變壓器和其它設(shè)備,免受海上濕氣和鹽霧的危害。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性

要抵抗?jié)駳夂望}霧的影響,就要盡量減小變壓器暴露在濕氣和鹽霧中的面積。

瘦身型高燃點油浸式變壓器的器身完全浸沒在高燃點絕緣油中,整個油箱僅留油枕頂部一個氣道與外界相通。油枕與外界大氣的連通方式有兩種。一種是采用橡皮膠囊,將絕緣油與外界大氣完全隔絕。另一種是采用吸濕器,外界大氣經(jīng)過吸濕器過濾后與絕緣油接觸。油箱外表面采用耐腐蝕的表面處理工藝[5],一般可達到C4H級,如有需求,亦可達到C5M級[6]。高壓接線端子采用可觸摸式密封絕緣套管,低壓接線端子采用大爬電距離的瓷瓶。整個變壓器被封閉在加固的變壓器室中,如圖3所示[4]。變壓器室頂部預(yù)留電纜穿孔,在電纜敷設(shè)完成后,可以完全封閉。變壓器室底部用集油槽進行封閉。這樣,變壓器就可以完全避免受沉積在塔底的濕氣和鹽霧的影響,保證安全穩(wěn)定運行。

圖2 冷卻系統(tǒng)布置

圖3 變壓器室

3.4 油品

油浸式變壓器的油品是對環(huán)境影響最大的因素,也是油浸式變壓器被認(rèn)為不適合應(yīng)用于海上風(fēng)電機組的主要原因。傳統(tǒng)油浸式變壓器采用礦物油或硅油,無法生物降解,一旦泄漏到海面上,對海洋可能產(chǎn)生的危害無法估量。

瘦身型高燃點油浸式變壓器采用的油品是M&I材料公司生產(chǎn)的MIDEL7131人工合成酯。根據(jù)IEC 61039標(biāo)準(zhǔn)[7]要求,若滿足超過65%的液體在28 d內(nèi)降解的要求,則油品可定義為易生物降解。MIDEL7131人工合成酯28 d內(nèi)降解率為89%,在IEC 61039標(biāo)準(zhǔn)中屬于可完全降解。IEC 61039標(biāo)準(zhǔn)中液體電介質(zhì)的生物降解分類見表1。

表1 液體電介質(zhì)生物降解分類

礦物油的燃點約為170℃,在油品分類中屬于O級。MIDEL7131人工合成酯的燃點高于300 ℃,屬于K級。K級絕緣油由于燃點高,可以顯著降低火災(zāi)風(fēng)險。IEC TS 60695-1-40標(biāo)準(zhǔn)中明確表示,超過150 000臺采用K級分類液體絕緣電介質(zhì)的變壓器,在運行中保持了卓越的安全防火記錄[8-9]。

3.5 維護保養(yǎng)

普通油浸式變壓器使用的礦物油易于高溫氧化,而高燃點油浸式變壓器使用的MIDEL7131人工合成酯抗氧化特性非常好。M&I材料公司曾對不同絕緣油的氧化穩(wěn)定性進行試驗,結(jié)果表明在長時間高溫和氧化條件下,礦物油和天然酯都會產(chǎn)生顆粒狀凝結(jié)物,如圖4所示。而MIDEL7131人工合成酯則不存在此類情況[8]。

圖4 顆粒狀凝結(jié)物

含水量對絕緣油的影響也較大。普通礦物油的含水量高于55 mg/m3時,擊穿電壓就會急劇降低。

但是，對于MIDEL7131合成酯而言,即使水分含量高于550 mg/m3,其擊穿電壓仍然可以保持在75 kV以上。擊穿電壓與含水量之間的關(guān)系曲線如圖5所示[10]。

圖5 擊穿電壓與含水量關(guān)系曲線

基于以上特性,普通油浸式變壓器使用的礦物油需要頻繁維護,0.5～1年就需要取樣檢測。而高燃點油浸式變壓器使用MIDEL7131合成酯,在變壓器本身和外部線路無故障的情況下,可以每隔5年取樣檢測一次,極大降低了維護保養(yǎng)的頻率。

4 結(jié)束語

綜合以上分析,瘦身型高燃點油浸式變壓器應(yīng)用于海上風(fēng)電機組,具有緊湊的外形尺寸、高效的冷卻系統(tǒng)、良好的環(huán)境適應(yīng)能力,且對環(huán)境友好,易于維護和保養(yǎng)。這一產(chǎn)品方案在未來的海上風(fēng)電機組中具有廣泛的應(yīng)用前景。