浅谈风电用组合式变压器的设计

1、浅谈风电用组合式变压器的设计第44卷第5期2007年5月妻珏嚣乃4Vo1.44No.5Mav2007浅谈风电用组合式变压器的设计赵国君,肖勋(顺特电气有限公司,厂东佛山528300)摘要:概述了风力发电系统的特点,介绍了风电用组合式变压器的技术要求与设计要点.关键词:风电;组合式变压器;设计中图分类号:TM402文献标识码:B文章编号:10018425(2007)05-001804BriefDiscussiononDesignforWindPowerofIntegralTransformerGenerationZHAOGuo-jun,XlAOXun(ShunteElectricCo.,Ltd.

2、,Foshan528300,China)Abstract:Thecharacteristicsofwindpowersystemaresummaried.Themaindesignpointsandtechnicalrequirementsofintegraltransformerforwindpowergenerationarepresented.Keywords:Windpowergeneration;Integraltransformer;Design1引言在我国大力提倡可持续发展的今天,风力发电作为一种可再生能源获得了快速的发展.据介绍,预计到2010年我国风机的装机容量将达到5O00

3、MW,2020年达到300o0MW.作为风力发电系统中的关键设备,风电用组合式变压器技术也获得较快发展,针对风力发电系统的特点,涌现出了几种不同的组合式变压器设计形式.笔者通过对风力发电系统特点的分析,概括了风力发电对变压器的特殊要求,结合应用于华能洮北49.3MW风电场的900kVA环网型新型组合式变压器的设计与制造过程的介绍,以期对风力发电专用变压器的设计与选型提供参考.2风力发电系统的种类与特点风力发电就是将风能转变为机械能再转换为电能的过程.风力发电系统主要有以下几种类型.2_1独立运行方式独立运行的风电系统主要分为充电型和动力型两种,适用于机组容量比较小的情况(一般在5kW及以下).

4、2_2并网运行方式这种运行方式是采用同步发电机或异步发电机作为风力发电机与电网并联运行.并网后的电压和频率完全取决于电网.无穷大电网具有很强的牵制能力,也具有巨大的能量吞吐能力.并网后的风力发电机按风力大小自动输出大小不同的电能.在这种运行方式中风力发电机必须具有并网和解列控制,只有当风力发电机电压频率与电网一致才能并网.当风力发电机因风速太小而不能输出电,llt,t,就会从电网解列.2.3多台风机组成风车田由数十台甚至数百台风力发电机组成风电场联合向电网供电,这是应用现代技术大规模开发利用风能资源的一个状况.风车田的运行一般都用计算机监控,使各风机运行在最佳状态.我国近几年建立的风电场都是采

5、用风车田的运行方式.2.4风力发电混合能源系统一般来说,由两种或两种以上的能源组成的供电系统,称为混合能源系统.其中至少有一种能源相对稳定,才能保证系统供电的连续性与稳定性.如风一柴系统,太阳能系统与风力发电机构成的系统,风一柴一蓄系统.第5期赵国君,肖勋:浅谈风电用组合式变压器的设计193风电场与电网的匹配风力发电机组并网运行,对电网有一定的影响.由于风力发电单机容量比较小,一般不会超过2MW,对于一个大电网,影响很小,可以忽略.但对个风电场来说,由几十台,上百台机组组成,总装机容量超过几十万千瓦,对于一个容量不大的电网,就会造成很大的影响,影响程度与风电容量所占电网的容量比例有关.据丹麦专

6、家分析,风电比例低于l0%对电网不会构成危险.风电场对电网稳态频率的影响是指电网受到扰动后,从一个稳态频率到另一个稳态频率的情况,而不考虑期间的频率变化过程.风力发电的不稳定性表现在间歇性和难以预计性.阵风,从有风到无风等,都会对电网频率造成影响.但是由于负荷的频率静特性对频率的补偿作用,在风力发电占的比例较小时,不会对电网的稳定和安全造成大的影响.风力发电机在运行时有时会出现高频过电压.这种过电压对变压器等会产生不良影响.在风机的设计叶1一般都采取阻容吸收网络和氧化锌避雷器的结合组成过电压吸收回路来进行消除,取得了较好的效果.阻容吸收网络是应用电容器的储能作用,不允许电路中的电压突变,可有效

7、地减缓过电压上升陡度,同时又可降低负载的波阻抗,因而可降低过电压.同时利用电阻在负载电路的高频振荡中消耗能量的作用,可有效地抑制过电压值,使过电压加速衰减.回路中的避雷器能限制过电压的幅值.当系统无过电压冲击时,阻容吸收网络为断路状态,电容不接入系统,不会对系统提供附加接地电容电流,保证系统稳定工作.当系统过电压幅值偏小时,电阻电容工作,吸收高频过电压,对所保护的设备提供真正的弱绝缘保护.当系统过电压幅值偏大时,氧化锌阀片工作,释放高幅值能量,对变压器提供大冲击下安全保证.阻容电路频率越高响应越好的特点弥补了氧化锌阀片型保护器为保障系统绝缘对小波头高频过电压响应差的难题.4风力发电对变压器的要

8、求风电专用变压器的作用是将风力发电机发出的690V的电能经过升压变为10kV或35kV,通过埋地电缆或架空线输送到风电场升压站.综合风电系统的特点,可以总结出对风电专用变压器的技术要求.4.1变压器空载时间长风力发电一般具有明显的季节性,变压器的年负载率平均只有30%左右.因此,要求变压器的空载损耗应尽量低.即使在风机不转情况下,皆有电网电压加在变压器上.风机不转时,连接风机的断路器会自动断开.因此,对风机本身不会产生影响.4.2超铭牌容量运行时间少由于变压器容量一般都比风力发电机容量大,并且在风机中采用微机技术,实现了风机自诊断功能,安全保护措施非常完善,在风机过载时会自动采取限速措施或停止

9、运行,基本上不会造成变压器过载运行.因此变压器的寿命比普通配电变压器长.4.3适应恶劣环境在我国,风力资源丰富的地区一般集中在沿海,东北,西北地区,变压器运行在野外,因此就要考虑设备的耐候性问题.在沿海地区的设备就应考虑防盐雾,霉菌和湿热;在东北,西北地区就要考虑低温严寒,风沙等的影响.4.4组合式变压器高压侧必须配置避雷器组合式变压器高压侧必须配置避雷器,以便与风机的过电压保护装置组成过电压吸收回路.在变压器的绝缘设计上应充分考虑避雷器残压对变压器的影响.5风电专用组合式变压器的设计结合应用于华能洮北49.3MW风电场的900kVA环网型新型组合式变压器的设计与制造实例,对设计制造中应该注意

10、的问题进行阐述.5.1组合式变压器的运行条件海拔高度:142m179m最大风速:30m/s(10m高空测得的10min平均风速)环境温度:_40oC40C振动峰值加速度:0.1g安装地点:户外检修方式:户外就地检修污秽等级:III级5.2组合式变压器主要技术参数要求全密封三相双绕组自冷无励磁调压升压变压器技术参数为:额定容量:900kVA电压比:(10.5_+2x2.5%)/0.69kV额定频率:50Hz相数:三相调压方式:高压侧线端设无励磁分接开关委珏器第44卷联结组:Dynll短路阻抗:不低于6%空载损耗:1.15kW负载损耗:9.78kW冷却方式:自冷绝缘液体:45号油中性点接地方式:l

11、OkV侧中性点不接地5.3组合式变压器的总体结构要求(1)箱体基本上按照标准组合式变压器的结构型式制造,箱变外壳全封闭(无百叶窗,底部封堵,门框加密封条).(2)变压器室,高压室,低压室”品”字型布置.(3)箱体应有足够的机械强度,在运输,安装中不发生变形.外型应美观,色彩与环境协调.外壳油漆喷涂均匀,静电喷涂.防护等级IP54,抗暴晒,抗腐蚀,抗风沙,并有牢固的附着力.(4)箱壳应具有抗暴晒,不易导热,抗风化腐蚀及抗机械冲击等特点.箱体金属框架均应有良好的接地,有接地端子,并标有接地符号.(5)箱体不带操作走廊.箱壳门应向外开,开启角度应大于9O.,并设定位装置.箱式变应有把手,暗闩和锁,暗

12、闩和锁应防锈.(6)噪声水平不应大于规定的变压器噪声水平.(7)顶盖倾斜度不应小于3.(8)组合式变压器内侧应附有主回路线路图,控制线路图,操作程序及注意事项.(9)母线宜采用绝缘母线,并设有安全防护措施.(1o)进出线应考虑电缆的安装位置和便于进行试验.(11)组合式变压器内部电气设备的装设位置应易于观察,操作及安全地更换.(12)应保证高压配电装置小室可靠安全,以防误操作.(13)箱体采用片式散热器,外加防护罩.(14)高压室内有简易电缆分接箱,可以实现当本变压器因故障移走时,简易电缆分接箱内主回路不用停电.(15)高压进线为2x120mm电缆,环出为2x120mm电缆.(16)主母线套热

13、缩套管,简易电缆分接箱外壳不能带电并可靠接地.(17)简易电缆分接箱内有HY5WS-17/50氧化锌避雷器和带电显示装置.(18)简易电缆分接箱与变压器直接采用肘型插头连接,可以直接插拔.(19)简易电缆分接箱可以直接从高压室门内装入,也可以先安装,然后从顶部吊入组合式变压器.变压器的主回路图如图l所示.进线电缆截面3xS0mm2Il带电氧化锌20oA肘型插头单通带电指l0kV出线】后备耀】插入斌l10kV进线图1组合式变压器主回路Fig.1Maincircuitofintegraltransformer5.4新型风电用组合式变压器的设计与制造要点(1)电磁设计本组合式变压器属高阻抗,低损耗产

14、品,在电磁计算和材料选型中均按照Sll系列油浸式变压器的基本要求进行,通过加大主油道等手段提高标准产品的短路阻抗,以满足降低发电系统短路故障电流的要求.铁心硅钢片选用日本新日铁27ZH100牌号产品,低压绕组采用铜箔绕制,以增强绕组的抗短路能力.(2)结构设计本组合式变压器高压设置简易电缆分接箱与组合式变压器本体有机结合,并且能够实现在组合式变压器检修或故障的情况下,将组合式变压器本体独立拆解而不影响发电环路的正常运行.在故障变压器修复后,能够非常方便地在环路带电的情况下安装并投入运行.风力发电系统示意图如图2所示.电缆分接箱设置在高压室内,由螺栓与油箱前壁板相连,保证在组合式变压器起吊和运输

15、时分接第5期赵国君,肖勋:浅谈风电用组合式变压器的设计21先打开低压室的门才能开启高压室的门.发电机(5)散热片的保护措施升压变压器图2风力发电系统示惹图Fig.2Diagramofwindpowersystem箱与本体无位移.分接箱与高压室的内腔有足够的间隙,以保证在单独拆除故障变压器时不会发生本体与分接箱的碰撞.分接箱的导电部分主体为铜母线与一体式穿墙套管的结合,通过可带电插拔单通肘型头和屏蔽电缆与变压器本体高压部分实现连接.在变压器故障时,可带电拔掉分接箱肘头,并以绝缘封帽盖住一体式穿墙套管的带电部分,实现分接箱的安全隔离.在分接箱上设置了带电显示器,故障指示器和氧化锌避雷器,保护功能完

16、善.在本次设计中,创造性地使用性能优良,运行可靠的氧化锌避雷器代替肘型避雷器,不仅安装方便,而且没有后顾之忧.(3)IP54防护等级的保证措施根据运行现场风大多尘的情况,外壳和箱体的防护等级按照IP54进行设计.主要从以下几个方面考虑:因为开关室没有发热元件,所以小室不开百叶窗;门和门框采取钢板折弯结构,保证防水和密封;所有的门边粘贴磁性橡胶条,保证关门后的门边密封.(4)联锁及”五防”实现措施联锁及”五防”是保证运行人员安全的必要措施,因此在本次设计的各个方面均有所体现:低压刀熔开关的上下均安装有机玻璃板,防止操作人员误碰低压带电部分;高压电缆分接箱门板采取周边螺栓紧固形式,只有使用专用工具

17、才能打开,并且在门板上粘贴警示标志,防止非专业人员的无意拆卸;开关室的3个门之间采取机械联锁形式,只有风电用组合式变压器的散热片采用目前成熟的片式散热片.由于组合式变压器安装在户外,周围没有其他的防护措施.为防止人为的无意或有意的破坏,必须对相对比较薄弱的散热片采取有效的防护措施.本次设计中采用钢管框架与冲孑L钢板焊接的形式,在散热片的三面形成一个围栏,既能起到防护作用又不影响散热.为方便组合式变压器的现场安装,围栏下表面与组合式变压器的下表面有80mm的间隙.另外,为防止在长途运输过程中围栏的晃动,在围栏的底面设置4个可调节的支撑杆,在运输时可做相应的支撑.(6)基础安装方面的考虑为方便现场的安装,组合式变压器与基础之间采取焊接形式.在基础上表面预埋槽钢,变压器本体上设置焊接片.为防止现场焊接对漆膜破坏而造成生锈,焊接片与变压器本体为分体式,用螺栓连接.这样做还有一个好处,就是当组合式变压器发生故障需要移走时,可以不必割掉焊接片,只是旋出连接螺栓即可.6结束语新型风电用组合式变压器采取了多种新型设计,特别是将电缆分接箱与组