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海上风电兆瓦级风机用-变压器: 技术、安全和环境讨论

变压器圈2018-06-27 20:22:10

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来源:麦道电力科技

本论文以风机中所用变压器的纤维纸矿物油绝缘系统和新绝缘系统为基础,对干式变压器、常规油浸式变压器进行了探讨。文中解释了油浸式变压器的性能和功能规格;描述了干式变压器与高温材料油浸式变压器的可靠性、安全性和耐火性;还探讨了不同类型的油浸式变压器的安全性和对环境的影响。


简介


可再生能源日益增长的重要性已将许多欧洲和全球(例如:G8峰会)会议提上日程。与会者均同意以下观点:必须做出努力,通过增加承诺来提高可再生能源(RES)在全球能源使用中的份额,以刺激海上风能以及下一代风机的进一步开发。[2] 欧洲RES-E指令2001/77/EC旨在将可再生能源中的电力份额从2000年的14%提高到2010年的22%。此行动计划背后的驱动因素是人们意识到风能非常有助于确保欧洲的独立能源供应,同时减少温室气体排放,并改善环境保护。


1. 风能价值最大化


为使风能价值最大化,可采取以下措施:


1.1 采集资源


风功率与风速的立方(P ~ v³)成正比。若风速提高20%,则风能增加70%。这是评估风能项目经济可行性时的一个重要方面。最新“风能分布图”是选择高潜能风能场址以及最适当风机(功率、高度和转子直径)的必要工具。内陆到沿海地区(近海),甚至是深海均可实施风能项目。


1.2 风机增容


虽然多年来所安装风机的转子直径均为60-90m,并且额定值均低于2MW,但近期开发出了可用于安装的试验装置,其最大转子直径为126m,输出功率为6MVA。例如:5MW Multibrid、5MW Repower和4.5-6MWEnercon。必须对风机组件(例如:叶片、齿轮箱、塔架、发电机以及变压器)进行升级,以匹配这些开发成果。提高风机功率趋势的驱动因素为公众感知(即较少的塔架和较慢的转速)的降低以及安装成本(尤其是海上基础和电缆)的最小化。


1.3 风电厂


配备有大量多兆瓦级风机的风场的运作几乎与常规电厂相同。虽然可靠和可控的输出、储能系统和电网连接与整合是必须(并将)在技术上予以考虑的问题,但除此之外还存在此类大型风场的公众接受(“邻避”观点)问题。海上风场(距离海岸至少10km)是最可预知的解决方案。


直至最近几年,耐火性较好、尺寸紧凑的干式变压器才被安装在绝大多数的风机中。但是,配备阻燃液的油浸式变压器在近期被开发出来,其性能和可靠性尤其适用于多兆瓦级风机。变压器行业外的人士认为,这些变压器存在较高的火灾和环境问题风险,并且认为干式变压器是变压器的理想选择。但是,经过HornsRev和Middelgrunden的事件后,这已不再是一个非此即彼的问题。现代决策(尤其是海上应用相关决策)所必须考虑的不仅仅是消防方面,还应考虑其它问题,例如:恶劣作业条件下的整体性能、处于过载及过电压时的可靠性、能耗、维护以及环境(包括过期产品回收)。


研究人员对干式变压器技术和油浸式变压器技术的耐火性以及其他冷却液对环境和设计的影响进行了研究。


2. 海上风机用变压器技术


2.1 绝缘系统技术


油浸式变压器技术和干式变压器技术之间的根本性区别在于电气绝缘介质:空气/树脂和纸/液体绝缘。常规油浸式变压器采用的是纤维紙和矿物油,而先进技术(称为SLIM®)采用的是被称为NOMEX®的高温芳纶绝缘材料和酯油。绝缘结构还有助于热管理和机械一体性。这些绝缘材料是基于可靠性、性能、安全性以及环境问题而被选定的。人们尤其倾向于选择液体。例如,常规变压器中使用的矿物油被替换为酯油,因为它具备高着火点和闪点(>300 ℃),并且具备环境友好性。这表示酯油不会与环境发生反应,并会在自然产品中慢慢地降解。欧洲立法已对上述内容进行了测试,并已批准其使用。使用可完全生物降解液体可获得环境行为的进一步改善。依据欧洲要求,超过65%的液体必须在28天内降解。天然酯类和合成酯类均可被用于此用途。天然酯类现在被用在数量有限的样机和试验系列中。但是有关寿命期性能的许多问题尚未得到解决。被称为MIDEL®7131的合成酯类已被使用了40余年,具备可靠的跟踪记录。作者对这种合成酯类在SLIM®系列高温风机变压器(WTGT)中的使用进行了广泛且仔细的研究。这种液体尤其适于与高温NOMEX®绝缘系统匹配使用,以获取SLIM® WTGT的紧凑性和可靠性。这使得海上风机用新一代紧凑型变压器被开发出来,这种变压器被称为Bio-SLIM®。


2.2 操作条件


建立海上风场意味着变压器将面临更恶劣的环境和功能操作条件。


2.2.1 冷却空气


海上风场中的变压器安装在处于塔架内部处于特定高度的平台(高处机舱内)上或安装在挂在机舱下方的塔内。在每种情况下,外部变压器冷却介质均为非常潮湿、很咸、且温度变化极大的外部海洋空气。海洋空气将以直接自然的方式或受力(通过风扇或管道)的方式穿过变压器的冷却元件或通道。油箱经过表面处理(可高达C5I+M,超过最高ISO 12944-2 [3]等级)的油浸式变压器几乎不会受到这种腐蚀环境的损害。干式变压器的外露线圈对冷凝水、爬电、局部放电、裂缝、温度变化和污染则更为敏感。保护干式变压器的唯一方法是将其放置在配备有热交换器、空气处理机组(干燥/过滤)以及强制通风的气密外壳内。这是一个成本高、尺寸大、耗能并且需进行维护的整体概念。在风扇停止工作的情况下(电子受控非稳定组件),必须关闭变压器和风机。

无需多做解释,坚固、紧凑的自然冷却式KNAN油浸式变压器具备明显的优势。风机发电机(WTG)达到额定值4MW和更大值后,独立的冷却器就会开始运行,变压器损耗所产生的热可直接到达液体-空气交换器,随后直接消散在大气中,而非停留在塔架或机舱内部,必须依靠二次冷却系统才能移除。


2.2.2 振动


安装在机舱内部或下方的变压器会受到由于风荷载撞击风机而产生的大幅度振动的影响。同样,专为大机械应力设计的油浸式变压器具备较高的可靠性,与被简单地夹在橡胶垫片之间的浇注线圈绕组相比,能够耐受较大的冲击和振动。油浸式变压器的波纹油箱配备有垂直和水平加固物,能够减小振动和共振。铁芯/线圈组件(也称之为“活动部件”)被夹紧固定在油箱内,限制其在任一维度的移动。对于SLIM®变压器执行的静态和动态振动测试显示出WTG的典型频谱(主要处于5Hz到250Hz的低频范围内),此类振动很难对这些油浸式变压器造成影响。


2.2.3 电压波动


与干式变压器相比,NOMEX®绝缘具备优越特性,与K级介电液实现高质量浸渍,这两点使得该绝缘系统较少受到频繁接通和断开、传递过电压以及瞬变浪涌所施加的高电应力的影响。油浸式变压器的一个典型特征是其能够再生成局部放电。在浇注线圈中,局部放电被捕获在树脂空洞内,并继续磨损绝缘,液基绝缘系统将自动把新液体输送到故障区域,代替受损绝缘液。


2.2.4 负载变动


NOMEX®的优越热特性与高温液体的组合使得典型工作条件(包括过载、超温和降低的冷却效率)下很少出现热老化。


3. Bio-SLIM®变压器的开发


3.1   冷却液体的选择


如第2.1条所述,海上风场的发展以及采用无毒环境或水域副作用的可完全生物降解液体的需求,使得Pauwels开始研究酯液在这些典型应用环境中的应用。虽然可在市场上找到几种替代品,但目前最知名的合成酯类是总部设在英国的M&IMaterials Ltd所生产的MIDEL®7131。经过证明,MIDEL®7131可使变压器性能达到至少135MVA和238kV,并已在卓越变压器技术领域内得到确认。


三家行业领导者DuPont、M&I Materials和Pauwels结合他们的专有技术设计出Bio-SLIM®变压器。参见下文照片中的2.3MVA/20kVBio-SLIM®变压器。我们将其涂成了蓝色,目的是与SLIM®进行区分,并使其与海洋和水应用相关联。



3.2   合成酯类MIDEL®7131


MIDEL®7131是环境敏感地区的首选变压器用介电液。德国联邦环境办公室将其归类为“非水危险类”,并且,依据OECD标准,其被公认为“易生物降解液体”。其电稳定性允许其在高于中等电压范围(>36kV)的压力下运行。


由M&IMaterials Ltd.开发、最初作为替代品PCB的环境保型的MIDEL®7131变压器液体具备完全可回收性、不含卤素、具备K级(>300 ℃)燃点和卓越的电介质性能。作为合成酯类,其符合IEC61099 [4]。


3.3   耐火性


意识到耐火性在变压器(用在室内装置中)总体风险评估中的高度重要性之后,我们总结了对比全尺寸耐火测试的结果,该测试是我们于2004年在法国Ineris对1MVA树脂浇注变压器和1.1MVA SLIM®变压器执行的对比测试[1]。


测试条件以干式变压器的标准CENELECHD 464 S1为基础。


变压器被放置在热腐蚀性环境中,形成该环境的因素如下所示:变压器下方的酒精持续燃烧20分钟,2个面板沿侧壁持续发出40分钟的热辐射,热量输入为30kW/m²。


干式变压器性能


防火板和辐射板启动后,变压器在6分钟之后燃烧并产生烟雾。外部火的温度为400 ℃,8分钟之后,中心绕组的温度达到870 ℃。辐射停止后,温度慢慢地降至700 ℃,然后进一步降至400 ℃,变压器自燃了一个多小时。外部热源被切断后,上轭的温度仍高于800 ℃。9分钟后气体的排放(主要是CO)达到720ppm,然后慢慢地降至350ppm。变压器全损(参见下文的照片)。



硅油SLIM®变压器的性能


火和面板产生的热导致外部温度高达600 ℃,内部温度达到260 ℃。由于液体的热膨胀,压力升至1.6bar。但是,此升压不足以使油箱发生爆炸。


变压器本身未引发外部火。变压器外部未明显受损(参见下文的照片)。更换套管密封圈后,可再次将变压器投入使用。



MIDEL®7131填充式变压器的性能


上文所述测试所采用的是硅油SLIM®变压器。八十年代末,一项类似的测试得以执行,此项测试所采用的是MIDEL®7131BBC公司生产的 630kVA油浸式变压器。此项测试是在Allianz Versicherungs-AG的防火测试室内执行的[5]。变压器经受了50分钟的外部木火。虽然外部温度达到420 ℃,但顶部液体温度未超过205 ℃。压力释放阀在压力为0.3 bar时打开,但气体未被点燃。油箱未发生泄漏,MIDEL®7131油浸变压器本身未引发火灾事故。


3.4   电气特性


起初为了实现设计安全,我们假设酯类的电介质行为将与硅油相同,并采用了相同的电气间隙、绝缘配置的爬电距离。但是,市场对于酯类的关注迫使我们研究设计优化,以能够改善酯类油浸式变压器的商业地位。有关测试线圈和全尺寸模型的实验室测试证明相对于硅油而言,酯类的电气性能与矿物油更加相似。测试中发现的一个重要差异是HV绕组的局部放电行为。这一点与酯类在室温下的粘度高于其它电介质液体有关。这意味着还需在MIDEL®7131变压器的设计、油的处理及注油过程应采取特别措施,以提高固体绝缘(无论是纤维素,还是NOMEX®)的浸渍效率及其耐受电压。同时,MIDEL®7131的电稳定性允许其在高于中等电压范围(>36kV)的压力下运行。这是其用于海上应用的一个真正优势,将风机输出电压直接转换为52-72kV,可消除中心平台的变电站或在风机至电网连接过程中节省大量的成本。


3.5   热特性


酯类的热性能介于矿物油和硅胶液体之间。我们在2.3MVA/20kVBio-SLIM®变压器的负载分别为80%、100%和120%时执行了热运行试验,该变压器是我公司为其中一家行业领先的风机制造商制造的。我们放置在绕组内部和周围的大量热电偶显示热分布好于预期。MIDEL®7131油浸式式变压器的温升略高于矿物油条件下的温升。油浸式变压器在矿物油中的连续液体运行温度限制在100 ℃,酯类的温度限制在130 ℃(气密条件下为140 ℃),硅油的温度限制在155 ℃[6]。由于整体温度和顶部液体温度受到附件(例如:垫片和套管)的限制,与SLIM®装置相比,Bio-SLIM®装置的绕组温度需略微降低,其目的不是为了降低NOMEX®的温度,而是为了降低与绕组热点接触的液体的温度。


酯类具备吸湿性,倾向于吸收大量潮气,同时又保持着较高的电介质强度。因此,若此过程发生在密封式变压器(Bio-SLIM®的外壳)中,则固体绝缘将受到较小的热老化影响。酯类的热膨胀系数(0.00075)接近矿物油(0.00076)。硅油的膨胀系数高出约37%(0.00104)。这意味着酯类和矿物油的油箱灵活性和内部压力几乎相等。


3.6   材料兼容性


酯类无材料兼容性问题。常规矿物油浸式变压器中使用的材料同样可用在酯类填充式变压器中。硅油与特定类型的垫片、胶水、清漆、光漆、油漆……相结合的限制中与酯液无问题。


4. 对比表


由于Bio-SLIM®变压器的表现更类似于矿物油,因此可实现最紧凑设计。


注:

●树脂浇注变压器损耗降低

●设计适用于50 ℃环境温度

●高度不含轮


结论


如上所述,另外一个型号适用于海上风机和环境敏感应用的油浸式变压器。


虽然WTGT仅占总风机装置的大约3%,但它是仅次于风机、发电机、齿轮箱(若有)和变流器的关键组件。若变压器出现故障,则发电停止。由于价格被压得太低所导致的质量问题和对于可靠性的影响或对于具体操作条件的理解不充分均会导致风机升压变(WTGT)系列过早出现服务故障。


现在,故障风险及其对安全和环境的影响可被降低至绝对最小值。每个产品相对于每个项目的增加值的评价取决于最终用户。Bio-SLIM®变压器的门已开启,方便在机舱中或海上多兆瓦级风机基座上安装油浸式变压器,并且连接至36kV及以上的电网。应首先评估风机升压变(WTGT)的价值,然后投资安全且具备高度可靠性的高质量产品。





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