摘要:本文集中阐述了随着我国科学技术的不断发展,我国的风电技术也有了长足的发展,在海上风电发展方面,由于同陆上风电不同,对风电机组要求上需要更大的容量,因此需要注重风电机组的稳定性、可靠性和抗风险能力,因此需要明确海上风电机组变压器的设计要求。
关键词:海上风电机组;变压器;冷却方式;结构材料
前言:这些年来,由于在国际上人们逐渐重视起发展中对自然环境的破坏而导致的全球变暖问题,同时各种能源物质的价格也在增长,使其各国都重视起风力发电,因此也因资金不断地投入、相关政策的扶持,使其有了长足的发展,在其中风电机组变压器其中至关重要的作用,为此更需要加强海上风电机组的建设。
1 海上风电机组变压器的需求
在海上风电机组中所使用的专用变压器,是为了将风力发电机组所产生的低压电能转变成电压为10KV或者35KV的电能,再通过海底电缆输送到风电场升压站中,但是在发电过程中由于成本的考量,使其变压器通常会放置在塔筒10m以内的位置上,例如放在塔筒内部又或者机舱之中。
1.1海上风电变压器的技术规范
1.1.1 控制发热量
首先对于海上发电中的变压器要求来说,需要控制好其发热量,因为风力发电会有明显的季节性,所以会使其变压器有着较长的空载期,年负载率基本在30%上下,并且由于成本问题,变压器处于塔筒内部或者机舱之中,使其没有一个很好的通风性,运作中不利于其进行散热,同时负载时效率还需要提高。
1.1.2 较长的使用周期
海上风电机组中的变压器,在容量上通常要比其机组的容量大一些,因此在容量规格上需要取其大约1.1倍于机组的总容量。对于机组来说,需要使用现代化的控制技术,让其在运行过程中能够完成对自身的诊断,可以完善发电的安全保护,并且在风机过载时可以自动采取有效的应急措施,例如会限制功率,或者将其停止运行,以此保障在进行发电过程中不会出现机器过载的现象,又或者保持过载能够控制在很短的时间内。同时在海上风力发风电机组的工作中,更换变压器是一件十分困难的工程,更换成本也相对高昂,所以需要使其最大程度延长变压器的使用寿命,减少更换的时长。
1.1.3 要有较强的耐用性
由于风力资源丰富的地域通常处于沿海或者海上,为此进行发电的场所通常会处于盐雾、霉菌、湿热等诸多恶劣的天气气候中,这对于发电过程中机组有着较为严重的损伤,慢慢腐蚀了机组的构件,同时还未投入使用的过程中,会被放置在野外,这样长期暴露在外界,可能接到暴晒、风雨腐蚀等损伤,这样就会在使用过程前就降低了质量性。
1.1.4 减少机体的质量,便于吊装
因为变压器是需要放入在塔筒或者机舱空间内部的,所以需要针对较小且不规则的空间进行设计,同时还要考量到电器安全间隙以及机组的容量重量等不同方面,因此需要对变压器的体型和质量进行专门的设计,以此满足其需求。同时由于需要将变压器运输海上中,这个过程需要经历长距离和不同种类型的运输,使其运输过程有着一定的要求,为了避免在长距离的运输过程中不会受到诸多方面的影响,导致变压器的损坏,需要变压器可以便于吊装,方便运输。
1.2 有着可靠性、易维护性
由于海上风电机组处于海上,这样的工作环境交通上有着局限性,使其进行维护或者保养都需要投入较大的人力物力,使其成本相比陆上发电机组来说较为高昂,为此当出现了机组的故障时,会因为维护工程时间较长,使其长时间的停运,严重影响到了风力机组的发电情况。
2 海上风电机组变压器
由于海上风电机组变压器的特点和所处的环境不同,使其风电在设计过程中,需要针对变压器的冷却方式、结构材料等方面进行详细的分析研究。
2.1 变压器冷却方式
对于较为常见的变压器来说,冷却方式分为油浸式、干式、气体式等形式。其中油浸式变压器的体积相对较小,并且有着较高的耐压等级,同时有着良好的散热效果,但是在使用中也存在着缺陷,有漏油的现象发生,使其发生故障时溶液有喷油和燃烧的可能性,使其对环境造成严重的污染,同时由于变压器在塔筒或者机舱中,会提高使用的风险性,并且比例与进行维护,有着较高的重量,因此这类变压器并不适用于海上风电机组;而干式变压器有着安全环保的特征,同时便于维护,有着较强的抗短路能力,安装环节也较为简单,但是缺点就是体积相对较大,同时耐压等级还不够符合标准,在进行户外安装环节存在一定的难度。这么整体比较下来,干式变压器能够基本符合海上风电机组的要求;而气体变压器通常都会使用SF6当作冷却和绝缘介质,因为其材料具有着无毒无味不易燃烧的特点,同时这样变压器的结构与油浸式变压器相似,在有着油浸式变压器的优点的同时还有效地避免了其结构上的缺陷,能够减少维护工作,能够达到良好的阻燃效果,同时造成的污染也相对较小,散热器和变压器可以分开放置,能够完全符合海上风电机组变压器的标准,但是这样的变压器由于制作成本高昂,使其在国内产量较少,市场效果不佳。
2.2 铁芯结构和材料
在变压器中的铁芯结构上,通常分为芯式变压器和壳式变压器两种形式。芯式变压器又可以称作为内铁式变压器,同时当前市场中大部分厂商所生产的都是绕组包围铁芯,使其结构相对紧凑。海上风电采用的变压器从成本、结构和体积运输等方面来考虑,都会采用这种形式内部结构;而壳式变压器是一种外铁式变压器,应用在无线电小变压器和一些特大型电力变压器上面,其具有能够进行拆解成小部分的特点,使其方便运输,之后可以在现场进行装配。但是现阶段我国还没有大量的厂家进行壳式变压器的生产,其制作成本和变压器体积都很大,并不适合应用到海上风电变压器上。
在材料方面,铁芯材料会使用优质晶粒取向冷轧硅钢片,全斜无孔绑扎结构,而铁芯是多级阶梯形、三接缝或者选择五接缝,这样可以有效地减低空载的损耗,同时减少运转过程中的噪音。其芯材使用专用设备进行卷绕形成,使其具有无接缝、无角重的特点,有效减少磁阻,降低了空损值,这样可以加强铁芯防腐效果。同时在芯材的选择上也可以采用非晶体合金进行制作,与其传统硅钢片相比,能够降低空损值72%以上,但是同时造价也相对较高。
2.3 绕组结构各材料
针对海上风电所使用的的干式变压器来说,进行绕组的形式可以为分为三种,首先是开启式,其机器可以与空气直接接触,可以在空气干燥和干净的环境中使用,但是并不能使用在海上湿润的气候中;第二种是封闭式的,且机器外部有外壳保护,并不能与外界直接接触,是一种防爆型形式,但是没有一个很好的散热性,所以也不适用于海上风电机组当中。第三种是浇筑式,是用环氧树脂或者其他型号的树脂浇筑成结缘结构体,能够符合海上风电机组的要求,同时从设备的开裂和散热性考虑,一般使用伯爵源结构的形式进行浇筑。而变压器的绕组导电材料一般会使用铜材。
总结:综上所述,海上风电变压器由于其特殊的工作环境,以此需要重视其变压器的材料选择,材料的选择上需要考虑到进行维护的容易性,同时也要考虑进行运输、吊装的考量,需要能够采用合适的绕组结构和材料,同时对于铁芯的选择上也要具有科学性和合理性。
参考文献:
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