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编辑｜旺材变压器

非晶合金是以铁和硼等元素为主要原料，用急速冷却等特殊的工艺使该物质的原子排列呈无序化的合金。用其做铁心，可使变压器的空载损耗降低到S11 型的 35% 左右，其效率可以达到 98% 以上。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的低， 非晶合金变压器恰好符合这一要求。

风力发电用组合变压器是一种将风电机组发出的0.69 kV电压升高到35 kV级别后，并网输出的专用设备。一般变压器的容量为800、900、1400、1600、2150 和 2350 kV·A 等。

风力发电的不稳定性表现在间歇性和难以预料性。 阵风、从有风到无风等，都会对电网频率造成影响。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。

风力发电用组合变压器有些具体的要求：①变压器空载时间长。②适应恶劣的自然环境。应该具备耐侯性。③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。在变压器设计上充分考虑避雷器残压对变压器的影响。④不超额定容量运行。变压器的运行寿命比其他变压器长。

根据风电用组合变压器的特殊工况和技术要求，在产品的设计及工艺上应采取相应的技术措施。

1 电磁设计

1）联结组标号。此系列产品联结组标号采用Dyn11。高压采用D联结，使得三次谐波电流可在D联结的一次绕组内形成环流，不至于注入公共的高压电网中去。

2）磁通密度的选取。风力发电用组合变压器为升压变压器，其磁通密度比降压变压器要低，一般选取≤ 1.3 T。既降低变压器的空载损耗和噪声，又提高变压器的抗冲击能力。

3）材料的选用。本组合变压器为高阻抗、超低损耗型产品。电磁线采用优质的无氧铜，铁心采用非晶合金做为导磁材料，绝缘材料均为F级，大大提高绝缘材料耐压等级，即提高了产品的安全性和使用寿命。通过调整 主油道等来提高产品的阻抗，以满足降低发电系统短路故障电流的要求。

2 结构设计

因高低压配置的需要，风电用组合式变压器外观结构有“目”字和“品”字型两种。

2.1 根据特殊的运行状态进行配置

1）由于风机瞬时高频电压和谐波的影响，使输出电压不稳定。高于额定电压690 V，造成变压器过励磁，致使变压器铁心高度饱和，空载损耗急剧增加，同时杂散损耗也增加，引起绕组局部过热，导致绕组短路。

2）风电用组合变压器是升压变压器，在变压器低压出线端和风机保护装置之间有一段电缆线路，由于外因作用可能引起短路。为了不影响到变压器，在低压出线 端设计刀熔开关进行保护。在组合式变压器的高压侧安装全绝缘可触摸式氧化锌避雷器，能有效的保护组合式变压器免受外部过电压的冲击。设计保留了高压负荷开 关和限流熔断器。负荷开关是一种可以带负荷操作的开关，并且能起到隔离电网和变压器回路的作用；限流熔断器是一种限制变压器内部短路电流的保护装置。

3）可根据用户的不同要求设计和生产终端和环网产品。

4）采用高燃点油作为绝缘介质，无须滤油和换油。密封件采用高性能的进口胶。

2.2 高低压配置有两种结构

风力变内除了装有变压器外，高低压侧还装有配电、 计量、控制和保护装置，另外高压侧线端要安装氧化锌避雷器，以保护变压器免受外部过电压的冲击。其结构 有共箱式和分箱式两种。

1）共箱式。高压负荷开关与高压熔断器置于全密封的变压器油箱中，利用变压器油作为绝缘介质。高压侧配置四工位(环网)或二工位(终端)负荷开关、保护熔断器 如图1 所示，可以可靠的保护变压器；低压侧可根据用户要求配置隔离开关，并配置高分断能力的熔断器及配电电器，同时可安装一台维护照明用的2～15 kV·A 站用变压器。

此结构接线方便，高压可以实现较多的进出线回路， 结构紧凑，散热性好。

2）采用分箱结构。40.5 kV风电用组合式变压器多采用分箱式结构。将高压负荷开关、保护熔断器及高压元器件和变压器器身、无励磁分接开关分别密封在两个不通的油室内，再通过35kV接线端子与变压器主油箱实现电气连接。其优点是在操作高压负荷开关时所产生的电弧引起变压器油老化和炭化问题不会影响到变压器本体 的绝缘性能；其次是方便对高压元件的更换和维护。整个产品无裸露的高压带电体，防护等级很高，安全可靠。

高压侧出线有两种。一是采用全绝缘硅胶电缆接头，真正实现全工况、全绝缘、全密封、免维护，保证在较恶劣环境中使用寿命达到25年以上，一般分箱式采用此种结构；二是油浸式普通套管或复合绝缘套管。在满 足风电场要求的前提下，油浸式普通套管或复合绝缘套管更加经济，更符合低成本的原则。一般共箱式采用此结构。

2.3 器身结构

1）铁心以非晶合金为导磁材料，采用四框五柱式(八个卷铁心框)结构，如图 2 所示，有两个旁轭可供磁通中的高次谐波或零序分量流过，联结组标号为Dyn11。这样3次谐波电流便能在三角形接线中流通，减弱了3 次谐波产生的磁通。使电源的正弦波形励磁电流形成的总磁通接近正弦波，从而产生正弦波感应电动势，而不易发生 过电压而损伤绝缘。

铁心在整个装配过程中(包括绕组套装和器身绝缘装 配)不允许受力，因此绕组压紧结构自成体系。上下夹件采用“Ω”型结构形式，在其内垫成形的纸板做绝缘，并铺垫减振耐油橡胶或其他减振材料，以消除铁心产生的噪音。铁心两侧采用侧弯板结构，与上下夹件用螺栓相连接。夹件除了对铁心起到托持和固定作用外，还起到保护作用。

2）低压绕组为带圆角矩形结构。采用铜箔绕制，以增强绕组的抗短路能力。高压为 35 kV，而变压器的容量为≤2350kV·A，因此高压绕组采用分段层式结构如图3所示，从端部引出线，在一个绕组的内侧放置静电屏，可以有效降低层间电压，绕组的对地电容很小，纵向电容大，雷电冲击电压均匀。在串联部位用软角环和端圈组成段间绝缘和冷却油道。因此，具有相当良好的冲击电压分布，能有效的消除和抑制各种过电压的振荡。

3）电气性能方面。由于每个绕组套在磁路独立的两个卷铁心框上，每个框内的磁通除基波磁通外，还有3次谐波存在，3次谐波占磁通基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定的磁通密度选用有关。一个绕组内两个卷铁心框中3次谐波磁通正好在相位上相反，数值上相等。因此，每一个绕组内的3次谐波磁通矢量为零。只要变压器三相绕组接法(高压为D接)有3次谐波电流的回路，在感应出的二次电压波形上就不会有3 次谐波电压分量。

2.4 提高抗短路能力

非晶合金变压器的铁心损耗会随着压力的增大而迅速上升。当变压器发生短路时，所产生的冲击如果都直接作用于非晶合金铁心上，铁心是无法承受的。因此，在 器身结构设计时，不能采用将铁心作为主承重结构件的设计方案，应将绕组支撑在单独的支撑系统上，一般是将低压绕组绕在硬筒上(玻璃钢)，用压板压紧固定(可采用压钉结构)。这样可以使铁心不受力，减少变压器短路时径向的内缩和外扩，从而提高变压器的抗短路能力。

3 在工艺方面

（1）绕组截面采用矩形带圆角结构，加强中性点、层间和端部绝缘，并经两次热压定型和特殊浸渍处理工艺 提高了绕组的绝缘耐压等级和抗冲击能力。

高低压引线全部采用软连接，防止运输过程中振动产生的应力。

（2）器身装配工艺。器身装配方式有两种：一种是倒装式，就是把铁心接缝朝上，打开接缝套装绕组后，再合上，之后将器身翻转180 °；一种是平装式，用专用设备将铁心平放，把绕组套装后再合拢起立。一般说平装式对于非晶合金开口损坏较小，接缝质量好，但工艺装备要求较高。

（3）外部表面工艺。

1）采取防风沙腐蚀的设计措施。对油箱采用特殊工艺处理，使其防护等级能达IP54。

2）防渗漏油措施。①散热片或散热器采用1.2～1.5mm 厚高强度冷轧钢板，一次成形，并采用防护栏等防碰撞措施。②在煤油试漏后，油箱增加一道振动时效工序。 其参数的选定模仿吊装、搬运和运输过程中产生的外应力，加速焊接裂纹的继续扩展，把夹渣、未焊透和熔合不良等焊接缺陷全部查找出来，以便进行处理。③密封件采用丙烯酸脂抗老化耐油橡胶。通过以上在设计、工艺和生产过程所采取的措施，确保了非晶合金风电用组合式变压器运行安全可靠。

4 1600kV·A非晶合金组合式风变设计示例

经过对SFH15－M－1600/0.69/37±2×2.5%(Dyn11)电磁计算如表1 所示，其他设计在这里不赘述。

5 产品的技术经济性

非晶合金变压器的节能效果是显而易见的，尤其是适合风电用的变压器，因其负载率较低。与S11变压器经济性的分析比较如表2所示。由于非晶合金变压器的损耗小，因此绝缘老化慢，使用寿命≥ 25 年。

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