錢廣遠

上海電器科學研究所(集團)有限公司 上海 200063

1 研究背景

變壓器作為風電機組中重要的電氣設(shè)備,將風電機組發(fā)出電能的電壓抬升到風電場集電線路的標稱電壓,然后輸入電網(wǎng)接口。海上風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)風電機組廠商和能源用戶基于電網(wǎng)的運行經(jīng)驗,認識到普通油浸式變壓器不適用于海上風電機組。筆者研究了海上風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 海上風電機組對變壓器的要求

對于陸上風電機組而言,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,鹽霧腐蝕嚴重,對變壓器的安全運行會造成威脅。基于以上原因,目前海上風電機組都將變壓器布置在塔筒內(nèi)部。海上風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載損耗之和成正比。海上風電機組的功率越大,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。即使留有通風口,也不會很大,而且必須加裝過濾裝置?？梢?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電機組嚴重得多[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?？梢?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)

海上風電機組聳立于水面之上,四面環(huán)海。對海上風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電場的運行維護成本[3]。可見,對于海上風電機組變壓器而言,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可,并開始在海上風電機組中廣泛應(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,海上風電機組的額定功率普遍為4 MW以上,甚至有風力發(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電機組在各種工況下最大輸出功率的1.1倍。以4 MW風電機組為例,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,鼓風箱將塔筒外部空氣從進風口吸進來,對冷卻器進行散熱,然后將空氣從排風口排出。

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為不適合應(yīng)用于海上風電機組的主要原因。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標準[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標準中屬于可完全降解。IEC 61039標準中液體電介質(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)風險。IEC TS 60695-1-40標準中明確表示,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電機組中具有廣泛的應(yīng)用前景。