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（上海ABB 變壓器有限公司）

0 引言

漂浮式風(fēng)機(jī)意義不僅體現(xiàn)在可以獲取更豐富的風(fēng)能，提升海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。更重要的是，漂浮式海上風(fēng)機(jī)的開發(fā)應(yīng)用標(biāo)志著我國海上風(fēng)電機(jī)組在高端裝備制造能力上實現(xiàn)重要突破，為向可持續(xù)能源未來的轉(zhuǎn)型提供了支持。在漂浮式風(fēng)機(jī)機(jī)組中，漂浮式變壓器是重要的組成機(jī)構(gòu)，對風(fēng)機(jī)機(jī)組的運行使用起著關(guān)鍵作用。

1 漂浮式海上風(fēng)電干變應(yīng)用狀況

中國風(fēng)電通過技術(shù)創(chuàng)新取得了巨大成就，為全球綠色發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。在2020～2022 年期間，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)裝機(jī)穩(wěn)中向上，為后續(xù)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)，風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新不斷增強，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入高速發(fā)展階段。

專家們認(rèn)為，目前國家對于風(fēng)電行業(yè)的政策環(huán)境極佳，正在進(jìn)入新的發(fā)展擴(kuò)充階段。目前，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)做好技術(shù)創(chuàng)新工作，保障產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，并進(jìn)一步提高優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源的開發(fā)和利用，創(chuàng)造更加廣闊的市場空間。要做好風(fēng)電應(yīng)用場景的拓展，提升風(fēng)電市場的消納能力，大力推進(jìn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)，深海遠(yuǎn)海漂浮式技術(shù)的廣泛應(yīng)用將成為必然趨勢。

漂浮式海上風(fēng)電變壓器可以承受任意空間方向的傾斜、搖擺等嚴(yán)苛的物理要求，便于安裝在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，可承受漂浮式海上極端環(huán)境工況，適應(yīng)包括臺風(fēng)和海上巨浪等帶來的挑戰(zhàn)，滿足深海、遠(yuǎn)海的安裝需求。同時，海上漂浮式風(fēng)電變壓器的應(yīng)用可以減少近海淺海視覺沖擊和噪聲污染，可獲取轉(zhuǎn)化更豐富的風(fēng)能。更具位置靈活性和工程經(jīng)濟(jì)性，有效擴(kuò)大海上風(fēng)電的使用范疇，提升海上風(fēng)電輸電效率，全方位提升海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。這將是海上可再生能源領(lǐng)域的重要突破，為清潔能源的發(fā)展帶來巨大的機(jī)遇，從而幫助全社會邁向可持續(xù)能源的未來。

2 影響漂浮式海上風(fēng)電干變的因素分析

2.1 變壓器振動問題

以“三峽引領(lǐng)號”漂浮式海上干式變壓器為例，現(xiàn)場振動環(huán)境參考如下表所示。

不同于常規(guī)的固定式海上風(fēng)電應(yīng)用，漂浮式海上風(fēng)電的基礎(chǔ)部分始終處于三維運動狀態(tài)，海浪與海風(fēng)的耦合效應(yīng)會對機(jī)組產(chǎn)生更加明顯的影響。漂浮式的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所帶來的搖擺、俯仰、移動升降、艄動旋轉(zhuǎn)等運動與各種現(xiàn)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(fēng)電機(jī)組整體布局和傳動鏈方案提出新的挑戰(zhàn)。此外，我國沿海區(qū)域臺風(fēng)高發(fā)，更是對機(jī)組抗臺風(fēng)性能提出了嚴(yán)苛物理要求。因此，變壓器的結(jié)構(gòu)強度、耐久性、連接的防松設(shè)計、進(jìn)出線電纜的固定、接線端子的設(shè)計等都是漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計領(lǐng)域難點中的難點。振動環(huán)境風(fēng)向示意如圖1 所示，振動環(huán)境傾斜示意如圖2 所示。

圖2 振動環(huán)境傾斜示意

2.2 變壓器組件振動問題

海上風(fēng)電變壓器除了本體及安裝會面臨較大的振動挑戰(zhàn)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(dāng)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(nèi)置冷卻芯、風(fēng)機(jī)，并導(dǎo)通冷卻液，在漂浮振動過程中，如果水冷裝置結(jié)構(gòu)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(shè)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(huán)境下的可靠運行，變壓器的防護(hù)等級通常不低于IP44，這種防護(hù)可以滿足隔絕外界污穢空氣的設(shè)計方案，但同時也增加了散熱設(shè)計的問題。溫升是變壓器的重要參數(shù)之一，溫升的升高會增加運行風(fēng)險，減少變壓器使用壽命。對于漂浮式風(fēng)電干式變壓器，因所處深海遠(yuǎn)海區(qū)域，變壓器所受潮濕、鹽霧環(huán)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(fēng)險，以及因外殼溫度過高而傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)，從而使控制單元受損或失靈。

3 漂浮式海上風(fēng)電變壓器設(shè)計方案

3.1 變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析

風(fēng)電機(jī)組運行過程中，機(jī)艙或許時刻都在振動，特別是機(jī)組面臨臺風(fēng)等嚴(yán)重的外部物理因素時，振動很大。所以，變壓器的抗振動設(shè)計十分關(guān)鍵。在實際設(shè)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(shù)，固定螺栓的個數(shù)，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(shè)氣道，采用預(yù)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(tài)，從而在后續(xù)的使用過程中進(jìn)行監(jiān)控和作為分析振動的依據(jù)支撐。

在整個漂浮式變壓器設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，一般采用系統(tǒng)性的傾斜靜力學(xué)仿真分析、搖擺動力學(xué)仿真等方式輔助設(shè)計。

通過對傾斜45°的持續(xù)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(yīng)力點，平均最大應(yīng)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(fā)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(jìn)行雙加強筋和連體支撐方式進(jìn)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(xù)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(yīng)力點，平均最大應(yīng)力為X軸電機(jī)板7.4Mpa，X軸水冷外殼2.4Mpa，Y軸電機(jī)板10.1Mpa，Y軸水冷外殼6.1Mpa，Z軸電機(jī)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(fā)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(yīng)力滿足要求，產(chǎn)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(shè)計方案分析

在漂浮式干式變壓器中，變壓器外殼內(nèi)部空氣與塔筒或機(jī)艙內(nèi)的空氣流通，機(jī)艙內(nèi)的高潮濕、高鹽霧空氣會進(jìn)入變壓器外殼，給變壓器造成嚴(yán)重腐蝕。甚至，變壓器絕緣表面的污穢物中可溶性物質(zhì)溶于水，使得表面上形成一層導(dǎo)電膜，從而大大降低變壓器絕緣。在電力場的作用下容易產(chǎn)生劇烈放電現(xiàn)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(hù)等級不低于IP44 的外殼內(nèi)，采用內(nèi)部循環(huán)冷卻系統(tǒng)與外界循環(huán)熱交換的方案：在外殼上設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)道和熱交換裝置系統(tǒng)。在變壓器器身上設(shè)置導(dǎo)流隔板。在變壓器運行過程中，在水冷裝置的軸流風(fēng)機(jī)把外殼內(nèi)熱空氣吸到水冷裝置冷卻芯中，進(jìn)行熱量交換。外循環(huán)把熱量帶走，冷卻的空氣進(jìn)入外殼下部，在隔板引導(dǎo)下，經(jīng)過變壓器主空道和低壓線圈內(nèi)部的低壓氣道，對變壓器線圈進(jìn)行冷卻。

通過分析，模擬出水冷卻裝置進(jìn)出風(fēng)口溫度差、速度差，溫度分布與實際變壓器運行狀態(tài)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(tǒng)，它不僅與變壓器自身的散熱有關(guān)，還與軸流通風(fēng)機(jī)，熱交換裝置的散熱效率，外循環(huán)有關(guān)。溫升散熱示意圖如圖6 所示。

圖6 溫升散熱示意圖

4 結(jié)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(yīng)對環(huán)流、臺風(fēng)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(yán)苛的振動環(huán)境，承擔(dān)更高的載荷。因此，在變壓器的抗振動本體設(shè)計、外殼設(shè)計、組件設(shè)計、安裝連接設(shè)計、溫升性能優(yōu)化設(shè)計、防腐蝕優(yōu)化設(shè)計中，通過有效的性能加強、仿真輔助等具有重要的設(shè)計應(yīng)用價值。