大容量海上风电升压站主变压器抗短路能力分析

大容量海上风电升压站主变压器抗短路能力分析

杨小龙 1 唐吉哲 2 邱添艺 3 王佳成 4 成鹏鹏 5

江苏海上龙源风力发电有限公司

摘要: 以SFZ-240000/220大容量海上风电升压站主变压器为例,介绍了工作原理和主要运行特征,解析推导了不同运行工况下的阻抗计算公式,进行了半穿越和全穿越工况下的短路电流计算,并对各个绕组的漏磁特征和抗短路能力进行分析,为实现海上风电变压器的高可靠性提供技术保障。

关键词： 变压器 海上风电 轴向分裂 阻抗 轴向力

引言：我国海上风电开发已经处于规模化开发的蓬勃发展阶段，预计到2030年我国海上风电规划装机容量将达到6G千瓦。伴随着海上风电项目的集中建设，海上电气设备的需求剧增。海上升压站是海上风电的核心部分，升压变是海上升压站的主要和关键设备，由于其安装和运行环境的特殊性，对产品的可靠性提出了极高要求。

本文以一台SFZ-240000/220轴向双分裂大容量海上升压站主变为例，介绍海上风电变压器基本原理的基础上，重点对不同运行工况下短路阻抗及短路电流的计算、各个绕组的漏磁特征和抗短路能力进行了详细分析，为提高海上风电变压器的抗突发短路能力及产品成功研制提供技术保障，保障海上升压站的安全稳定运行。

1. 海上升压站主变计算原理

1.1海上升压站主变工作原理

电力变压器采用的是“动电生磁，动磁生电”的电磁感应原理。通常电力变压器一次侧输入电压为发电机的输出电压U1，通过变压器升压后输出二次侧的交流电压U2。一次侧绕组电压U1和二次侧绕组的电压U2比值即为绕组的匝数N1与N2的比值。海上风电升压站主变的工作原理与普通电力变压器一致，但本文中所研究的典型220k V海上风电升压站主变要求有两路一次侧交流电压U1输入，只有一路交流电压U2输出，为满足这种运行工况的要求，低压绕组采用轴向双分裂结构。低压绕组1和低压绕组2分别接两个低压输入电压U11和U12，根据电磁感应原理，高压绕组1感应电压为U21、高压绕组2感应电压为U22，内部进行并联后只输出一路交流电压U2，低压绕组1和低压绕组2匝数分别N11与N12，高压绕组1和高压绕组2匝数分别N21与N22，其电压和匝数的关系为：

式中，U11=U12,U21=U22,N11=N12,N21=N22。

1.2海上风电升压站主变主要特征

SFZ-240000/220海上风电变压器采用低压绕组为轴向双分裂U型结构，其中LV1为上半部低压绕组，LV2为下半部低压绕组，高压绕组为上下并联中部出线结构，调压绕组也为上下并联结构，两个低压绕组分别作为一次输入，高压绕组并联作为二次输出的工作模式，其铁心、绕组排列及电气联结。

2. 海上升压站主变基本结构

SFZ-240000/220海上风电变压器，是一台240MVA/220k V三相、低压双分裂、铜绕组、有载调压、油浸式、自然油循环冷却、低损耗的升压电力变压器，内部结构主要由铁心、绕组、绝缘和引线等组成。其中核心部件为铁心和绕组，绕组排列（从内往外）为铁心-低压1/低压2-高压-调压。

图2 变压器绕组结构示意图

3.海上风电变抗短路能力计算与分析

为确保海上风电变压器的高可靠性，在产品研发计算时必须进行充分的抗短路能力计算与校核分析。

1. 1. 短路电流计算与分析

根据海上风电变压器的实际运行工况，对半穿越工况和全穿越工况进行短路电流计算，计算结果如图3所示，其中HV1表示高压绕组上半部分，HV2表示高压绕组下半部分，LV1表示上部低压绕组，LV2表示下部低压绕组，TV1表示调压绕组上半部分，TV2表示调压绕组下半部分，HV-LV1和HV-LV2表示半穿越工况，HV-LV表示全穿越工况，max、rat和min表示最大、额定和最小分接状态。

从下图中得出，由于低压为轴向分裂、高压和调压上下并联的结构原因，半穿越短路工况下非对应部分高压绕组上也会有部分电流流过，其中HVmin-LV1和HVmin-LV2中非对应高压绕组占对应高压绕组的电流比重达到6.46%和6.35%；此外虽然全穿越阻抗仅为半穿越阻抗一半多点，且高压绕组出口侧电流也会大大超过半穿越工况，但实际高压绕组流过的短路电流值略小于半穿越工况。

图3短路电流计算结果

结语

针对海上风电变压器，采取高屈服强度值的自粘换位导线和安匝优化的方法来提高其自身的抗短路能力，其中低压屈服强度取220MPa，高压屈服强度取180MPa。典型海上风电升压站主变压器采用低压轴向分裂、高压上下并联的结构，进行阻抗理论计算时可采用解析计算的方法解决电气连接问题，由于低压轴向双分裂的特征，半穿越短路工况下非对应部分高压绕组上也会有部分电流产生。本文章中选取的典型海上风电升压站变压器抗短路能力较强，满足国标及各项要求，具备高可靠性特征。

参考文献：

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