风电集电升压设备的主要设计问题

风电集电升压设备的主要设计问题邹长春，黄荣晖，刘燕（顺特阿海珐电气有限公司，广东佛山528300）摘要介绍了国内风电集电升压设备的发展情况及一些主要设计问题的解决方案。关键词风电；升压设备；设计中图分类号TM402文献标识码B文章编号10018425（2010）10000504MAINDESIGNPROBLEMSOFCOLLECTINGBOOSTDEVICEFORWINDPOWERGENERATIONZOUCHANGCHUN,HUANGRONGHUI,LIUYAN（SUNTENAREVAELECTRICCO,LTD,FOSHAN528300,CHINA）ABSTRACTTHETRENDANDTHESOLUTIONOFMAINDESIGNPROBLEMSOFCOLLECTINGBOOSTDEVICEFORWINDPOWERGENERATIONATHOMEAREPRESENTEDKEYWORDSWINDPOWER；BOOSTDEVICE；DESIGN1前言随着2006年1月我国可再生能源法的正式颁布实施,拉开了我国大规模开发风能的序幕，之后国内风电总装机容量迅猛增长。截至2008年底总装机达1221万千瓦，同比增长106（见图1），总装机容量位列全球第四，2020年装机3000万千瓦的发展规划目标有望在2010年提前实现。伴随着风电建设的突飞猛进，各种集电升压设备的需求也显著增长，我公司作为国内大型风电集电升压设备供应商，多年来向国内众多风电场提供了数千台产品，积累了大量的设计和制造经验。为此，本文中笔者将介绍国内风电集电升压设备的发展概况及集电升压设备设计中主要问题的解决方案或意见。2国内风电集电升压设备发展概况风电集电升压设备是一种将风力发电机发出的电能由低电压升高至10KV或35KV后汇集到集电线路上，再经相关配套输电线路接入电网的设备，它是在传统组合式变压器和预装式变电站基础上根据风电领域特点发展起来的产品，近几年在国内各风电场得到了广泛应用。21传统风电场集电升压形式国内早期风电场多采用架空线、户外跌落式熔断器和10KV裸油变的组合方式，该方式虽然结构简单、造价低，但相对容易发生熔断管误跌落和熔体管易烧坏等故障，环境适应性和可靠性也较差，并且存在影响风电场景观等问题。22风电集电升压设备的现状随着组合式变压器（以下简称美变）和预装式变电站（以下简称欧变）在我国的迅速发展和在城市电网中的大规模应用，这两类产品也被逐步引进到风电场，并快速替代了上述传统的集电升压方式，使风电场发送电可靠性得到提高。由于美变升压设备具有成本低、体积小和环境适应性强等优点，相比欧变升压设20082007200620052004200320022001200002000400060008000100001200014000装机容量/MW年份图1历年累计装机容量FIG1INSTALLEDPOWERCAPACITYEVERYYEARTRANSFORMER第47卷第10期2010年10月VOL47OCTOBERNO102010第47卷备，其目前在风电场的应用更为广泛。另外，由于风电领域有其自身的特点，如运行环境比较恶劣、风机年均负载率较低，对集电升压设备提出了耐候性强、可靠性高和空载损耗低等要求，使过去应用于城市电网的常规美变和欧变并不能完全相适应。此外，为减小线路损耗和降低风电场设备投资，许多风电场纷纷采用35KV升压设备，对通常电压等级只有10KV的美变和欧变提出了新的要求。因此，为适应我国风电市场高速发展的需要，一些厂家推出了更符合风电场特点和需要的风电集电升压设备。23风电集电升压设备的发展趋（1）为降低线损及节约设备投资，大多采用35KV电压等级，并且随着风机制造技术的进步，单机容量不断增大，目前国内主流风机容量已提升至15MW，一些风资源良好且具备运输安装条件的风电场已开始采用2MW3MW的风机，国外近年则有容量达到5MW的风机投入运营，因此风电集电升压设备的容量也呈增大趋势。（2）关注产品的节能环保，一些风电场业主已在考虑采用空载性能突出的非晶合金铁心升压设备。（3）产品可靠性要求更高，耐候性、环境适应能力更强，安装操作更简单，维护量更少。（4）将继续以美变形式为主，欧变形式为辅，在一些环境条件特殊的风电场，如水库附近，由于必须考虑对水源的保护等因素，采用配置干变的欧变是重点考虑的形式。（5）近海风电是今后风电发展的新领域，应在抗盐雾、抗湿热、抗霉菌、抗台风、抗震及可靠性等方面适应新领域的要求。3风电场对集电升压设备的要求31环境适应能力强风电场多建设在自然环境条件比较恶劣的滩涂、海岛、戈壁、草原和高地等处，风沙、雨雪、严寒、强紫外线、重盐雾、高湿度和霉菌等对产品提出了严峻挑战，因此设备必须能承受住恶劣环境因素的考验。32结构简单、可靠性高集电升压设备虽然价值上不能与风电机组相提并论，但却扮演着非常重要的角色，其一旦出现故障停运，将导致风机无法正常发电。因此，可靠的性能将最大限度地保证正常发电及风电场的经济效益。针对风电领域的特点及对产品可靠性高的要求，必须采用合理的电气和结构设计，使产品满足安全、可靠、安装操作简便及少维护等要求。33较低的空载损耗风力发电具有很强的季节性，功率输出不稳定，由于风力发电机组的年平均负载较低，将导致升压设备的负载率较低，如空载损耗越低，总的效率越高，越有利于风场节约运行成本。34绝缘水平高由于风速变化风机投切等将引起电网电压闪变和波动及大气过电压的影响，因而给集电升压设备的绝缘带来了很大考验。4主要设计问题针对风电场对集电升压设备的要求，结合我公司在集电升压设备方面的设计经验，笔者对如下主要设计问题提出了解决方案或意见。41电气及结构方案（1）10KV常规美变的显著特点是高压侧采用了全绝缘方案，即采用了全密封可触摸式的电缆附件及肘型避雷器，能否在35KV美变升压设备上也采用全绝缘方案成为最初设计院和设备厂家考虑的问题。我公司前期尝试了开发35KV电压等级可触摸式电缆附件及肘型避雷器，遇到的最大问题是不易控制产品局放，直至目前国内主要的美变电缆附件厂家还未能有效解决该问题。因此，大规模推广应用上述全绝缘方案的条件显然还不成熟。从保证产品可靠性和经济性出发，在35KV美变升压设备上采用了复合绝缘高压套管的前端带电电气方案，并通过双重防护结构实现了高防护等级，既保证了操作人员安全，同时也适应了复杂恶劣的环境条件，目前已在各风场得到了广泛应用。（2）由于风机一般不会过载且风机本身有完备的保护，对于美变升压设备，小倍数故障电流可通过低压过流保护元件进行保护，高压侧可只采用油浸后备熔断器，不装过载保护熔断器，这样既有利于减少产品内部的电气连接点，提高可靠性，也有利于降低成本。对于采用油浸后备熔断器如何保证在风电场现场方便更换熔断器的疑问，其实不必过于担忧，因为后备熔断器通常用于保护变压器内部故障，当出现大的故障电流时动作。也即如果后备熔断器动作了，极大可能是变压器内部出现了故障，这种情况下不能简单地在现场更换熔断器，通常需将升压设备返厂进行专业的吊芯检查和处理。（3）采用熔断器式负荷隔离开关或断路器作为低压主开关。由于升压设备智能化要求不高，同时考虑到风场环境条件较为恶劣，较理想的选择是采用熔断器式负荷隔离开关，其结构简单可靠且保护有6邹长春、黄荣晖、刘燕风电集电升压设备的主要设计问题第10期效，并可在检修时提供可见隔离断口。（4）关于美变升压设备分箱还是共箱问题，各方意见争论较多。从美变发源地北美地区的实际应用情况看，共箱结构占主流，其能够满足长期运行要求。对于目前应用最多的35KV美变升压设备，由于采用无喷射式灭弧的过载保护熔断器，因此不存在熔断器灭弧污染变压器油的问题。至于高压负荷开关，由于很少投切一般仅在美变升压设备故障须退出电网的情况下才会操作，且按设备要求和实际操作情况看，基本上为空载投切，因此不必过于担忧负荷开关对油的污染。美变升压设备完全可以采用共箱结构，并有利于减少产品内部的电气连接点，提高可靠性。42防护措施421表面防护由于风电场通常建设在自然环境条件比较恶劣的地区，为提高箱体耐候性能，首先要考虑的是针对不同环境条件采取合理的喷涂工艺，使产品外表涂层防护持久有效。（1）对于北方风沙严重的风电场，沙粒击打给设备表面涂层带来很大威胁，因此要求涂层不仅有良好防锈功能，而且具有较强硬度及足够厚度。可采用的方案有在设备外表面喷涂一层环氧树脂漆，干膜厚度不小于300M，烘干后再喷涂一层聚氨酯面漆，干膜厚度不小于40M60M。（2）对于南方沿海或近海风电场，主要考虑重盐雾、雨水含有酸性腐蚀成分、湿热及霉菌等因素影响，必须从油漆品种、涂层厚度和喷涂工艺等方面采取相应措施，可采用环氧富锌底漆中间环氧厚浆漆聚氨酯面漆的喷涂方案，涂层总厚度不小于280M。同时片式散热器采用热浸锌表面淋漆工艺，最大程度保证片式散热器持久防锈。（3）此外，采用非金属材料或不锈钢等材料的升压设备具有较好的环境适应能力。422密封措施为确保升压设备内部元器件安全，必须在产品密封结构上采取有效措施，使产品具有较高防护等级。其方法是设置橡胶条压边的双重密封门结构，尤其对于风沙和雨雪大的北方风场，升压设备防护等级可提高到IP54，不设通风窗；对于南方地区风场，风沙问题不严重，且环境温度较北方高，最好设通风窗。在提高产品防护等级的同时，必须指出要兼顾高防护等级与低压单元产热较大的散热问题，为降低发热量，可适当加大低压母排截面。此外，较经济的碳钢水重力热管也值得作进一步应用研究。423散热片防护部分北方风电场设在牧区，为减少外界人为或牛、羊等动物破坏，最好在升压设备散热片上加设防护网进行防护。43损耗设计风机通过风力推动叶片旋转实现发电，其对风速有明确要求，通常风机切入风速约为3M/S，切出风速约在25M/S左右，在切入切出风速范围之外，风机处于不发电状态。由于风的不确定性，使得风机年均负载率较低，通常在3040左右。因此，可适当降低升压设备空载损耗值，同时适当提高负载损耗值，这样既有利于降低运行成本，也有利于降低升压设备初始投资。以上为根据风机负载情况提出的一个设计思路，最终产品设计还应依照合同要求执行。44故障电流保护由于风机本身各项保护措施非常完备，升压设备主要考虑对自身的保护。对于升压设备,必须考虑高压与低压保护元件的合理匹配，特别是当高压采用全范围熔断器时,可能出现低压侧小故障电流情况下，高压全范围熔断器先动作带来运行维护成本增高的问题。对于高压设置后备熔断器的保护方式，由于后备熔断器的保护范围在额定最小开断电流I3（通常为熔断器额定电流的5倍）至额定最大开断电流I1之间，对于I3以内故障电流的保护，应通过低压保护元件来实现，这就更需要作出合理匹配，否则可能在小故障电流下由于后备熔断器不能有效开断而导致非常不利的后果。此外需要强调不同厂家同一电流等级的熔断器可能对应有不同的时间电流特性曲线，熔断器的选用应以时间电流特性曲线为依据，不能简单根据额定电流进行选用，同时要实现高压熔断器与低压保护元件的合理配合，应做好动作曲线的匹配分析，这一点往往被不少厂家设计人员忽视。35KV欧变升压设备目前在高压开关选用上存在较大限制，多数厂家采用真空负荷开关熔断器组合电器，至于目前个别厂家为控制成本在欧变升压设备中采用户外跌落式熔断器的做法，可靠性和安全性存在较大问题,不应提倡。45绝缘设计和过电压保护由于风电场较特殊的环境条件及风速变化、风机投切等原因，加上大气过电压及产生的电网电压闪变和波动,给升压设备的绝缘水平带来了很大挑战。因此，产品的绝缘结构要求合理,且应有充分的绝缘裕量，其中包括配套的各类元器件。目前个别品7第47卷牌的低压框架断路器由于绝缘水平不足,在一些风场出现了绝缘击穿乃至烧毁的事故。由于存在过电压及电压闪变和波动,设计时还应考虑采取必要的过电压保护措施。通常在高压侧装设避雷器或其他过电压保护器件，低压侧过电压保护以往不太受重视，但从投运设备实际运行情况看，增设低压避雷器是必要的。运行经验和试验研究表明,对于绝缘良好的变压器,仅在高压侧装设避雷器,仍有发生由于正逆变换过电压造成的雷害事故。这是因为高压避雷器对于正变换或逆变换过电压是无能为力的,加装低压避雷器可将正逆变换过电压限制在一定范围之内。关于低压避雷器的参数选取，相关国家标准或行业标准只涉及额定电压从028KV05KV范围的参数，对于低压额定电压通常为069KV的风电升压设备，在避雷器的选用上需作出恰当考虑。由于升压设备低压侧为中性点直接接地系统，避雷器持续运行电压应基于相电压来考虑，这一点与中性点不直接接地或非有效接地系统的高压侧避雷器选取不尽相同，考虑到一定裕量，低压避雷器持续运行电压可按UC6903姨115460V、额定电压按UR1213UC选取。此外可选用三相组合式避雷器俗称“过电压保护器”或“过电压吸收器”，其适用于35KV及以下电压等级中性点非有效接地系统中，除可以限制大气过电压外，还可以限制常规避雷器所不能限制的操作过电压，特别是保护了相间及对地过电压，使系统的保护更加完善。低压侧则还可选用浪涌保护器SPD,其不仅具有抑制过电压的功能,还具有分走浪涌的功能。但是,采用后面介绍的过电压保护器件,对应造价也将明显增加。5结束语伴随着我国风资源的快速开发利用,作为风电场重要设备之一的集电升压设备得到了广泛应用,许多变压器厂家纷纷加入到升压设备的市场竞争中,一些厂家由于对风电领域特点不够了解,设计上存在一些疑点或未能有针对性地进行产品设计,使产品投运后出现较多的问题。希望通过本文中的介绍能够提供一些帮助,呵护好集电升压设备市场,同时建议行业归口单位制定相应的行业标准，对风电升压设备进行规范,引导产品健康有序的发展。参考文献1张国兵，付锡年变压器效率曲线及其特征参数J变压器，2000，37（6）18212尹炼，刘文洲风力发电M北京中国电力出版社，20003GB500601992，3110KV高压配电装置设计规范S4GB500541995，低压配电设计规范S收稿日期20090715作者简介邹长春（1975），男，江西赣州人，顺特阿海珐电气有限公司工程师，主要从事箱变、油变产品的技术研究工作；黄荣晖（1975），男，广西桂林人，顺特阿海珐电气有限公司工程师，主要从事箱变、油变产品的技术研究工作；刘燕（1969），女，湖南湘乡人，顺特阿海珐电气有限公司总工程师、