瘦身型高燃点油浸式变压器在海上风电机组中的应用

钱广远

上海电器科学研究所(集团)有限公司 上海 200063

1 研究背景

变压器作为风电机组中重要的电气设备,将风电机组发出电能的电压抬升到风电场集电线路的标称电压,然后输入电网接口。海上风电机组中的变压器必须能够适应海上恶劣的运行环境。

目前,国内大多数风电机组厂商和能源用户基于电网的运行经验,认识到普通油浸式变压器不适用于海上风电机组。笔者研究了海上风电机组对变压器的要求,结合变压器的实际应用经验,给出一种瘦身型高燃点油浸式变压器的应用方案。

2 海上风电机组对变压器的要求

对于陆上风电机组而言,由于占地一般不受限制,因此其变压器一般以箱式变电站的形式布置在塔筒外的地基上。而由于海上风电机组中,立于海面的桩基成本高,其面积有限,因此普通油浸式变压器无法布置于桩基平台上。同时,海上气候条件极为恶劣,湿度高,盐雾腐蚀严重,对变压器的安全运行会造成威胁。基于以上原因,目前海上风电机组都将变压器布置在塔筒内部。海上风电机组对变压器有一些特殊要求,具体分析如下[1]。

2.1 紧凑的外形尺寸

目前,海上风电机组底段塔筒平台直径普遍为5 m左右,平台上除了布置设备外,还要预留人员操作维护的空间,空间十分紧张,这就使变压器在满足机组额定功率输出的同时,占地面积受到限制。当变压器发生故障,被移出塔筒时,需要穿过塔筒门。变压器如果无法拆解,就必须使整体尺寸小于塔筒门轮廓。如果变压器能够拆解,那么塔筒内部必须有足够的拆解空间。

2.2 高效的冷却系统

变压器在运行过程中会产生巨大的热量,热量与变压器的空载损耗与负载损耗之和成正比。海上风电机组的功率越大,变压器的容量就越大,变压器的发热量也就越大。为了阻挡海上的湿气与盐雾,塔筒一般做成密闭型。即使留有通风口,也不会很大,而且必须加装过滤装置。可见,需要为变压器配置一个高效的冷却系统,将变压器在运行过程中产生的巨大热量有效释放到塔筒外。

2.3 良好的环境适应性

由于海上风电机组常年处于湿度高、盐雾重的环境中,因此即便是在密闭塔筒内部,其环境湿度和盐雾也比陆上风电机组严重得多[2]。湿气和盐雾会沉降在塔筒底部,附着在变压器表面,导致爬电和短路,对布置在塔筒底部的变压器产生危害。即使变压器的发热量可以蒸发湿气,腐蚀性物质也还是会残留在变压器表面,慢慢地侵蚀表面的防护涂层。可见,变压器必须具备在如此恶劣环境中安全稳定运行的能力。

2.4 对环境友好

海上风电机组大多建于沿岸和近海,这些区域是船舶出入频繁和渔业赖以生存的区域。海洋污染会对这些区域的环境造成影响,因此变压器必须对环境友好,不对海洋产生污染。

2.5 易于维护和保养

海上风电机组耸立于水面之上,四面环海。对海上风电机组进行检查维护时,只能坐船前往。船舶出海的成本很高,这大大提升了海上风电场的运行维护成本[3]。可见,对于海上风电机组变压器而言,要易于维护和保养。

3 瘦身型高燃点油浸式变压器的应用

瘦身型高燃点油浸式变压器是近年来得到国际社会认可,并开始在海上风电机组中广泛应用的变压器。此类变压器拥有紧凑的外形尺寸、良好的环境适应能力,对环境友好,易于维护和保养,在配置冷却系统后,可以具备优良的冷却效果。

3.1 外形尺寸

目前,海上风电机组的额定功率普遍为4 MW以上,甚至有风力发电机厂商已经研发出8 MW样机。变压器的额定容量一般不小于风电机组在各种工况下最大输出功率的1.1倍。以4 MW风电机组为例,其变压器的额定容量为4.5 MW。

瘦身型高燃点油浸式变压器外形修长,它的外形尺寸为1 800 mm×1 112 mm×2 183 mm,整体占地面积仅2 m2。瘦身型高燃点油浸式变压器高压套管采用可触摸式密封绝缘套管,无需考虑与周边其它设备的绝缘距离问题,这为其它设备和人员维护提供了足够的空间。变压器可以与其它设备一起集中布置在同一个平台上,而不用占据多个平台。如图1所示,较小的外形尺寸可以使变压器从较小的塔筒门整体穿过,当发生事故时有利于对变压器进行整体更换。

图1 瘦身型高燃点变压器整体更换

3.2 冷却系统

油浸式变压器,尤其是大容量的油浸式变压器,具有高效的冷却能力。

瘦身型高燃点油浸式变压器采用强迫油循环风冷,其侧面没有波纹散热片占用周围空间。同时,由于瘦身型变压器本体占用空间小,因此可以将整个冷却系统布置在变压器旁,如图2所示[4]。油泵将绝缘油通过输油管输送至冷却器中,鼓风箱将塔筒外部空气从进风口吸进来,对冷却器进行散热,然后将空气从排风口排出。

整个冷却系统无需布置在塔筒外部,几乎不受海上恶劣气候的影响。冷却气体的循环路径与塔筒内部空气完全隔绝,保护了变压器和其它设备,免受海上湿气和盐雾的危害。

3.3 环境适应性

要抵抗湿气和盐雾的影响,就要尽量减小变压器暴露在湿气和盐雾中的面积。

瘦身型高燃点油浸式变压器的器身完全浸没在高燃点绝缘油中,整个油箱仅留油枕顶部一个气道与外界相通。油枕与外界大气的连通方式有两种。一种是采用橡皮胶囊,将绝缘油与外界大气完全隔绝。另一种是采用吸湿器,外界大气经过吸湿器过滤后与绝缘油接触。油箱外表面采用耐腐蚀的表面处理工艺[5],一般可达到C4H级,如有需求,亦可达到C5M级[6]。高压接线端子采用可触摸式密封绝缘套管,低压接线端子采用大爬电距离的瓷瓶。整个变压器被封闭在加固的变压器室中,如图3所示[4]。变压器室顶部预留电缆穿孔,在电缆敷设完成后,可以完全封闭。变压器室底部用集油槽进行封闭。这样,变压器就可以完全避免受沉积在塔底的湿气和盐雾的影响,保证安全稳定运行。

图2 冷却系统布置

图3 变压器室

3.4 油品

油浸式变压器的油品是对环境影响最大的因素,也是油浸式变压器被认为不适合应用于海上风电机组的主要原因。传统油浸式变压器采用矿物油或硅油,无法生物降解,一旦泄漏到海面上,对海洋可能产生的危害无法估量。

瘦身型高燃点油浸式变压器采用的油品是M&I材料公司生产的MIDEL7131人工合成酯。根据IEC 61039标准[7]要求,若满足超过65%的液体在28 d内降解的要求,则油品可定义为易生物降解。MIDEL7131人工合成酯28 d内降解率为89%,在IEC 61039标准中属于可完全降解。IEC 61039标准中液体电介质的生物降解分类见表1。

表1 液体电介质生物降解分类

矿物油的燃点约为170℃,在油品分类中属于O级。MIDEL7131人工合成酯的燃点高于300 ℃,属于K级。K级绝缘油由于燃点高,可以显著降低火灾风险。IEC TS 60695-1-40标准中明确表示,超过150 000台采用K级分类液体绝缘电介质的变压器,在运行中保持了卓越的安全防火记录[8-9]。

3.5 维护保养

普通油浸式变压器使用的矿物油易于高温氧化,而高燃点油浸式变压器使用的MIDEL7131人工合成酯抗氧化特性非常好。M&I材料公司曾对不同绝缘油的氧化稳定性进行试验,结果表明在长时间高温和氧化条件下,矿物油和天然酯都会产生颗粒状凝结物,如图4所示。而MIDEL7131人工合成酯则不存在此类情况[8]。

图4 颗粒状凝结物

含水量对绝缘油的影响也较大。普通矿物油的含水量高于55 mg/m3时,击穿电压就会急剧降低。

但是，对于MIDEL7131合成酯而言,即使水分含量高于550 mg/m3,其击穿电压仍然可以保持在75 kV以上。击穿电压与含水量之间的关系曲线如图5所示[10]。

图5 击穿电压与含水量关系曲线

基于以上特性,普通油浸式变压器使用的矿物油需要频繁维护,0.5～1年就需要取样检测。而高燃点油浸式变压器使用MIDEL7131合成酯,在变压器本身和外部线路无故障的情况下,可以每隔5年取样检测一次,极大降低了维护保养的频率。

4 结束语

综合以上分析,瘦身型高燃点油浸式变压器应用于海上风电机组,具有紧凑的外形尺寸、高效的冷却系统、良好的环境适应能力,且对环境友好,易于维护和保养。这一产品方案在未来的海上风电机组中具有广泛的应用前景。