树脂浇注干式变压器(针对海上风电场特殊的使用环境，干式变压器应怎样设计？)

Posted 2023-05-29

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树脂浇注干式变压器(针对海上风电场特殊的使用环境，干式变压器应怎样设计？)

目前，风力发电作为一种清洁的可再生能源，在全球范围内发展迅猛。海上风电由于其资源丰富、风速稳定、对环境的负面影响较少并允许机组制造更为大型化，可以大规模开发等优势,一直受到风电开发商的关注。

用于升压并网的电力变压器，由于海上风力发电机组特殊的运行环境（高湿度、高盐密度），不能再像陆上机组那样采用油浸变压器安装在机组外部，而通常采用干式变压器安装在机舱内，这样既解决了整个机组的占地面积问题，避免了将变压器安装在较低位置所带来的防护困难问题。

同时，变压器靠近风力发电机，变压器经变流器直接将发电机发出的690V电升压到35KV，大大降低了低压电缆的使用量，从而降低了整个风机的成本。

典型海上风力发电机组干式变压器技术要求：额定容量为3300kVA（风电机组容量3MW）；额定高压35kV；额定低压0.69kV；连接组别Dyn11；短路阻抗8%；绝缘等级F；温升限值100K；绝缘水平为LI170AC70/AC3；空载损耗≤6700W；负载损耗≤25800W（75℃）；冷却方式为AF；噪声≤78dB（A）（声功率级）；气候等级C2；环境等级E2；燃烧等级F1；重量≤8000kg；外形尺寸≤2800mm×2000mm×2500mm（长×宽×高）。

变压器设计方案

为了适应在机舱内运行时严酷的气候和环境条件，干式变压器应具有抗腐蚀能力强的特点。同时，干式变压器安装在海上风机机舱内，维护和维修成本高，干式变压器应具有较高可靠性。由于树脂浇注干式变压器在耐环境、耐气候和抗短路能力的性能上更为优越，故首选此类干式变压器。

1 本体设计方案

铁心叠片采用冷轧取向电工钢带，45°全斜接五级接缝；高压线圈采用分段圆筒式，采用真空浇注工艺；低压线圈采用箔绕，设轴向气道，采用预浸绝缘端部树脂密封固化。

由于机舱尺寸的限制以及对载荷的要求，干式变压器外形尺寸不能过大，重量不能过重。通常，采用铜绕组时，变压器尺寸小，重量重；而采用铝绕组时，变压器尺寸大，重量轻。所以在电磁计算阶段，要反复比较，满足用户使用要求。

2 防腐设计

一般变压器，冷却方式采用自冷或风冷，变压器外壳内部空气与机舱内的空气流通，机舱内的高潮湿高盐雾的空气进入变压器外壳，造成变压器结构件被严重腐蚀。更为严重的是在这种环境下，变压器绝缘表面的污秽物中可溶性物质逐渐溶于水，表面上形成一层导电膜，使绝缘的绝缘水平大大降低，在电力场的作用下容易产生剧烈放电现象，即污闪，这是导致风电机组火灾的主要可能因素之一。

图1 被海盐腐蚀的线圈

为了避免此问题，采用将变压器安装在防护等级大于IP44的外壳内，使用内部循环冷却系统与外界进行热交换的方案。这样，变压器本体防腐设计难度大大降低，防腐重点转移到外壳上。

而外壳的防腐相对容易些，一般，采用专门的喷涂工艺，达到《ISO12994 Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems》中要求的C4等级。

3 抗振设计

风电机组运行过程中，机舱时刻都在振动，特别是机组偏航迎风过程和制动过程中振动很大。所以，变压器的抗振设计也非常重要。

通过一些措施可减小变压器器身变形和紧固件的松动：变压器线圈浇注为一个刚体，使线圈自身具有良好的抗振能力；增加变压器底垫脚的个数及固定螺栓的个数，对变压器起到很好的固定作用；变压器上夹件上安装长螺杆与外壳顶部的支架相连，使变压器与外壳成为一个整体，避免外壳的晃动。此外，变压器上所有的紧固件均采用防松措施，避免变压器部件的脱落和器身倾倒。

4 通风散热设计

在外壳上设置轴流通风机、风道和热交换装置；在变压器器身上设置导流板，见图2。这样，在变压器运行过程中，轴流风机把外壳内热空气吸入风道，在热交换装置处进行热量交换，外部水泵和外部热交换装置通过水循环把热量带走，冷却的空气进入外壳下部，在空气导流板引导下，经过变压器主空道和低压线圈内部的气道，对变压器线圈进行冷却。

图2 变压器散热结构

显而易见，变压器的散热不再是一个孤立的系统，它不仅与变压器自身的散热结构有关，还与轴流通风机的通风量、热交换装置的散热效率、外部水泵和外部热交换装置性能息息相关，这是一个复杂的大的系统。在样机设计中，可结合计算机仿真分析，设定一定的温升余量，待批量生产时根据试验结果进行再优化设计。

5 可维护性设计

风力发电机组安装在近海海域，维护困难，维护费用非常高。所以干式变压器设计应充分考虑其维护性。

外壳采取拼接结构，可以方便的拆散，便于对变压器大部件如高压线圈等进行更换；通风散热系统的轴流风机使用寿命一般为40000小时，为了保证机组发电量和可利用率，采用一用一备形式。

试验验证

经过对SCB9-3300/35样机测试，各项性能指标满足要求，见表1。

表1 SCB9-3300/35主要试验数据

结束语

考虑到海上风电场的使用环境和安全性能要求，设计干式变压器时应重点对变压器的防腐、抗振、通风散热、可维护性进行特殊设计。随着海上风力发电的持续升温，用于海上风力发电的干式变压器市场将前景广阔。

本文编自《电气技术》，标题为“海上风电用干式变压器的设计”，作者为时连斌、陈敏等。