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Las fallas de cortocircuito son comunes en los transformadores elevadores de turbinas eólicas y son una de las principales causas de amenazas para la operación segura de los parques eólicos. Se resumen las fuentes de fallas de cortocircuito en el transformador elevador de turbina eólica, principalmente cortocircuito en la cámara de baja tensión, cortocircuito en el sistema de turbina eólica y cortocircuito en el transformador, y se analizan las causas de las fallas de cortocircuito. , y se proponen las correspondientes medidas preventivas y de mejora en función de las diferentes averías de cortocircuito.
Como parte importante de la generación de energía eólica, el transformador elevador de turbinas eólicas también se usa ampliamente.
El duro entorno operativo de los parques de turbinas eólicas, la complejidad de los sistemas de turbinas eólicas, la gran cantidad de componentes y las complicadas condiciones de operación provocan muchas fallas, como un amplio rango de fluctuación de carga, rechazo de disyuntores, fallas del generador y del inversor.
Estas razones conducen a que la probabilidad de falla de cortocircuito del transformador elevador de la turbina eólica sea significativamente mayor que la del transformador montado en la plataforma civil ordinaria, a veces quemado accidente, lo que afecta la operación segura de las plantas de energía eólica.
En este documento, combinado con la experiencia a largo plazo en el diseño y reparación de transformadores elevadores de turbinas eólicas, resumimos sistemáticamente las fuentes y las causas de la falla por cortocircuito del transformador elevador de turbinas eólicas, y brindamos las medidas preventivas correspondientes para mejorar la confiabilidad operativa del transformador elevador de aerogeneradores.
Las causas de la falla del cortocircuito del transformador elevador de la turbina eólica, de acuerdo con las diferentes fuentes, se pueden dividir en cortocircuito de la sala de bajo voltaje, cortocircuito del sistema de la turbina eólica, cortocircuito del transformador.
El lado de bajo voltaje del transformador elevador de la turbina eólica es más simple que el del transformador montado en plataforma civil, y el circuito principal solo tiene un disyuntor principal, sin gabinete de alimentación ni gabinete de condensadores.
Algunos fabricantes carecen de experiencia en el diseño y la producción de tales gabinetes de bajo voltaje en la etapa inicial, y diseñan transformadores elevadores de turbinas eólicas de acuerdo con las especificaciones de los gabinetes de bajo voltaje para distribución civil. Las principales razones de la falla por cortocircuito son las siguientes.
Los parques eólicos se encuentran principalmente en áreas montañosas, playas de Gobi, pastizales y otras áreas abiertas, las turbinas eólicas y las palas sufren una alta probabilidad de caída de rayos.
Aunque la posición del ventilador es mucho más alta que la del transformador montado en plataforma, el transformador montado en plataforma no estará sujeto a rayos directos, pero el transformador montado en plataforma está más cerca del punto de impacto del rayo, la corriente del rayo desde el ventilador a través de la transmisión del cable hasta el transformador montado en plataforma, el La corriente del rayo en la línea de bajo voltaje puede alcanzar 5 ~ 10 kA.
Además, la turbina eólica necesita cortar el disyuntor de acuerdo con la velocidad del viento, la corriente se corta repentinamente, los devanados del motor y otros componentes inductivos a tiempo para liberar la energía, lo que eleva el voltaje de la línea.
La probabilidad de sobrevoltaje en el lado de bajo voltaje del transformador elevador de la turbina eólica es significativamente mayor que la del transformador montado en pedestal de distribución civil, por lo que es fácil dañar los componentes eléctricos debido a la inducción del rayo y al aumento de potencial.
Si la distancia eléctrica es demasiado pequeña, es fácil que se produzcan descargas de fase a fase, ruptura del aislamiento a tierra y otras fallas.
La fila de cobre de bajo voltaje de un transformador elevador de turbina eólica es demasiado pequeña debido a la desviación del procesamiento, y la fila de cobre se descarga y quema el gabinete de bajo voltaje bajo sobretensión, como se muestra en la Figura 1.
El lado de bajo voltaje del transformador montado en plataforma y el cable de conexión entre el ventilador pertenece al canal rápido de la corriente del rayo. configurarse con componentes de protección contra rayos, generalmente protector contra sobretensiones (SPD).
Sin embargo, algunos fabricantes de unidades de diseño y transformadores montados en pedestal carecen de experiencia en la selección de SPD y el fusible de protección correspondiente, y la selección de componentes no es razonable, lo que da como resultado que los componentes de protección contra rayos y el fusible correspondiente en lugar de convertirse en una de las fuentes de falla.
El dispositivo de disparo SPD no puede cortar la corriente del rayo y la continuidad de la frecuencia, perdiendo la función de protección del lado de bajo voltaje del transformador montado en la plataforma, lo que resulta en un cortocircuito.
Si el extremo superior del SPD del portafusibles está abierto, el arco se extenderá hasta el extremo superior del fusible, el fusible perderá su función protectora y provocará una quemadura del gabinete de bajo voltaje.
(3) La condensación y el aumento de temperatura exceden el estándar. Algunas áreas son propensas a tormentas de arena y ventiscas, que son extremadamente perjudiciales para el aislamiento de las cámaras de alta y baja tensión. De acuerdo con la situación actual, las unidades de operación y mantenimiento de los parques eólicos requieren mejorar el nivel de protección del transformador elevador de la turbina eólica, eliminar las persianas y los orificios de disipación de calor de la cubierta superior y adoptar un sistema completamente sellado para el cuerpo del silo.
En los últimos años, la generación de energía eólica ha continuado desarrollándose en algunas áreas montañosas, y la unidad de diseño todavía usa la estructura completamente sellada del transformador elevador de la turbina eólica en algunas áreas montañosas.
Sin embargo, la temperatura y la humedad del aire en el sur son significativamente más altas que las del norte, y el uso de una caja completamente sellada no es propicio para la descarga de calor y la ventilación de la caja, lo que conducirá fácilmente a un aumento de la temperatura de la almohadilla. transformador montado, y la diferencia de temperatura entre la caja y el aire dentro de la caja es tan grande que incluso si la humedad relativa del aire dentro de la caja es muy baja (menos del 50% HR), se producirá condensación en la pared interior de la caja.
El circuito de bajo voltaje del transformador elevador de la turbina eólica carece de protección de relé térmico y monitoreo del aislamiento, el aumento de la temperatura de la fila de cobre excede el estándar provocará la ruptura térmica del aislamiento, la condensación grave conduce a la disminución de la capacidad de aislamiento en cortocircuito.
Las turbinas eólicas se ven afectadas por la velocidad del viento que es volátil y fluctuante, y la predicción es difícil, el impacto en el sistema de ventilación.
Además, el entorno de trabajo de la unidad de ventilación es duro, tormentas de viento, arena, polvo, congelación, alta temperatura y otros factores que hacen que la confiabilidad operativa y la vida útil de la unidad se hayan probado seriamente, el impacto en el transformador montado en la plataforma no se puede ignorar. .
Algunos disyuntores de bajo voltaje de transformadores montados en plataforma no se disparan debido a un ajuste irrazonable del valor de rectificación, y el fusible de alto voltaje no funciona debido a la falta de coincidencia de la curva de acción y otras razones.
La protección de alto y bajo voltaje del transformador montado en plataforma está fuera de acción, la falla de cortocircuito del sistema de ventiladores no está controlada, lo que resulta en accidentes graves del transformador montado en plataforma y la quema del ventilador. Las principales fallas de cortocircuito son las siguientes.
En el sistema de ventiladores, el convertidor cambia la energía de CA con frecuencia fluctuante en energía de CA que cumple con los requisitos de la red, para lo cual se deben configurar componentes como IG-BT, capacitor de CC, capacitor de CA y reactor de filtro. Bajo la acción de sobrevoltaje y alta temperatura local, estos componentes se rompen y la corriente aumenta rápidamente en poco tiempo, quemando los componentes y provocando un cortocircuito.
De acuerdo con la energía eólica y la demanda de la red, la unidad de turbina eólica puede iniciar, regular, detener y encender y apagar la carga a través del dispositivo de control en el tiempo. Los componentes de conmutación se encienden y apagan con frecuencia, lo que genera una alta tasa de fallas, como contactores pegados, disyuntores que se niegan a moverse, arcos cortos, etc., lo que provoca un cortocircuito en la línea en casos graves.
Ventilador debido a su entorno operativo complejo, como la vibración del ventilador, el envejecimiento de los materiales de aislamiento y la mala disipación del calor, la probabilidad de cortocircuito aumenta considerablemente. El devanado del estator del ventilador de transmisión directa de imanes permanentes está expuesto al aire y es vulnerable a la niebla salina, la humedad y el moho, con riesgo de cortocircuito entre espiras.
Los devanados del rotor de los ventiladores asíncronos doblemente alimentados necesitan producir energía eléctrica a través de anillos colectores y escobillas de carbón. Como piezas de contacto deslizante de alta velocidad, el mantenimiento inadecuado provoca incendios en los anillos colectores, y los incendios graves provocarán cortocircuitos en los anillos colectores y las escobillas de carbón.
La turbina eólica está conectada a la red eléctrica a través del transformador, y la calidad de la energía eléctrica tiene las características de fluctuación de potencia, parpadeo de voltaje, alto valor dv/dt, etc. Mientras tanto, el cable de conexión entre la turbina eólica y el transformador está principalmente en la forma de enterramiento directo, que tiene el peligro oculto de cortocircuito del cable y afecta la operación segura del transformador.
Además, el transformador montado en pedestal combinado tiene un interruptor de carga y un fusible de alto voltaje dentro del tanque, lo que aumentará la tasa de fallas del transformador con componentes adicionales.
El transformador es el componente central del transformador elevador de la turbina eólica, una vez que ocurre una falla de cortocircuito, causará daños graves, las causas comunes de falla de cortocircuito son las siguientes.
El lado de bajo voltaje del transformador montado en plataforma y el sistema de turbina eólica tienen más fallas de cortocircuito, el transformador debe tener la capacidad de resistir el cortocircuito.
En la actualidad, la bobina de alto voltaje del transformador de la turbina eólica es más que el uso de dos estructuras de bobina cilíndrica, cuando el cortocircuito externo del transformador elevador de la turbina eólica, bajo la acción de la fuerza de cortocircuito de los radios, devanado de baja tensión hasta el núcleo compresión, expansión hacia el exterior del devanado de alto voltaje, el espacio principal de la vía aérea, la bobina interna de alto voltaje perdió el soporte de la pared interna, fácil de interrumpir por el arreglo de giros de cortocircuito axial, cuando el cortocircuito interno del devanado de alto voltaje es inevitable. La anatomía de accidentes múltiples también indica que la capa interna de alto voltaje pertenece al punto débil del cortocircuito.
Influenciado por la velocidad inestable del viento, el funcionamiento de la unidad de ventilador produce fluctuaciones de tensión y parpadeo, amplitud de sobretensión de frecuencia de hasta 1,1 veces la tensión nominal.
Los convertidores de aerogeneradores utilizan IGBT como elementos de conmutación. La frecuencia de conmutación rápida genera una alta tasa de aumento de voltaje (dv/dt).
Cuando la tasa de cambio de la onda de voltaje de choque (equivalente a una alta frecuencia) proyectada al devanado del transformador, el aislamiento longitudinal causado por efectos adversos, como la descarga de corona, la descarga local excede el estándar.
Transformador combinado de energía eólica tipo pedestal con fusible enchufable de rango completo, con dos funciones de corte de corriente de sobrecarga y corriente de cortocircuito.
Pero el fusible es un componente sensible a la temperatura, la curva de acción se ve afectada por la temperatura ambiente, generalmente el fusible se coloca en la posición superior del tanque de aceite.
La temperatura del aceite del transformador puede ser tan baja como el punto de congelación en invierno cuando funciona sin carga, y en verano cuando funciona con carga completa, la temperatura dentro del cilindro redondo seco del fusible limitador de corriente de alto voltaje alcanzará los 100 ℃.
Por esta razón, el fusible a menudo se funde mal, se niega a fusionarse y otras fallas, e incluso hace que el fusible se funda y se produzca un cortocircuito interno en el transformador.
Las causas de las fallas de cortocircuito en los transformadores elevadores de turbinas eólicas son diferentes de las de los transformadores de potencia y los transformadores montados en plataformas de distribución civil. Se deben formular medidas preventivas adecuadas de acuerdo con la situación real, tanto para mejorar la resistencia a los cortocircuitos del producto en sí mismo como para reducir la probabilidad de fallas externas de cortocircuito al mejorar la estructura y el diseño razonable y reducir los factores de riesgo.
Las siguientes fuentes de falla de cortocircuito, de acuerdo con las medidas preventivas correspondientes.
La razón principal de la falla por cortocircuito en la sala de baja tensión es el bajo nivel de aislamiento estructural y la elección incorrecta de los componentes y el nivel de protección, por lo que las siguientes medidas preventivas ayudarán a reducir el cortocircuito en la sala de baja tensión.
Las distancias entre fases y tierra de la fila de cobre deben ser más altas que el estándar nacional, el conjunto de filas de cobre de tubo termorretráctil de alta calidad, esquinas afiladas y pernos expuestos envueltos con protección de aislamiento, bloqueando efectivamente la generación de arco eléctrico.
Las líneas de control deben estar lejos de la fila de cobre, el orificio del disipador de calor del disyuntor, para evitar que la temperatura alta del equipo provoque la falla del circuito de control para expandir la falla.
Los componentes de distribución de energía civil convencionales no pueden cumplir con los requisitos del entorno de generación de energía eólica, necesitan usar los componentes especiales de generación de energía eólica desarrollados para las condiciones de trabajo de generación de energía eólica, los ingenieros de transformadores montados en plataforma deben seleccionar cuidadosamente los componentes y fortalecer la comunicación y el intercambio con los ingenieros de componentes .
Disposición razonable de los componentes, aislamiento de los componentes propensos a fallas, como protectores contra sobretensiones y fusibles, para evitar que la falla de dichos componentes provoque un cortocircuito en la fila de cobre y las líneas de control.
La temperatura del sur y la alta humedad del aire no deben elegir una carcasa completamente sellada, la necesidad de instalar persianas y ventiladores para fortalecer la capacidad de ventilación y enfriamiento.
Regiones del norte más tormentas de nieve e invasión de arena, es apropiado elegir una carcasa completamente sellada, como el aumento de la temperatura ambiente de bajo voltaje no puede cumplir con los requisitos, la necesidad de aumentar las persianas y ventiladores colgantes.
El cortocircuito del sistema de turbinas eólicas para el transformador elevador de turbinas eólicas es una falla externa, en primer lugar, las unidades de operación y mantenimiento deben fortalecer la inspección y la gestión, los puntos problemáticos ocultos de cortocircuito por adelantado; en segundo lugar, el transformador montado en plataforma debe poder cortar la línea de falla a tiempo para eliminar el impacto del cortocircuito externo en el transformador montado en plataforma.
Dado que el valor de ajuste de acción instantánea del disyuntor de marco de bajo voltaje del transformador elevador de la turbina eólica no es una norma unificada, algunos parques eólicos Transformador montado en plataforma junto con el valor de configuración del transformador montado en plataforma de distribución, lo que resulta en un valor de configuración demasiado grande, el circuito el interruptor no se puede disparar a tiempo.
La turbina eólica actual adopta una conexión a la red sin choque, la curva de aumento de potencia es suave y el transformador de caja se cierra sin carga desde el lado de alto voltaje, por lo que el transformador elevador de la turbina eólica no necesita considerar el lado de bajo voltaje corriente de irrupción de cierre, corriente de irrupción de conexión a la red y corriente de arranque del motor.
El lado de bajo voltaje del transformador montado en plataforma de la corriente alta solo provendrá de la corriente de cortocircuito y la corriente de cruce de bajo voltaje, sujeto a la capacidad de sobrecorriente del convertidor y la estrategia de control de baja penetración, generalmente la corriente de baja penetración del imán permanente síncrono la turbina eólica no supera las 2,0 pu, y la baja corriente de penetración de la turbina eólica asíncrona doblemente alimentada está entre 3,0 y 5,0 pu.
Por esta razón, el valor de ajuste instantáneo del seccionador de marco de bajo voltaje del transformador de la caja de energía eólica se puede configurar en 5.0p.u., de modo que la falla de cortocircuito externo se pueda eliminar a tiempo para evitar que el accidente se propague y cause una mayor- cortocircuito a escala.
Por lo general, el cortocircuito externo del transformador es un desencadenante indirecto, y la débil resistencia de cortocircuito del propio transformador es la razón principal del agotamiento del transformador. Mientras se previene el cortocircuito externo, el cuerpo del transformador debe reforzarse para resistir el cortocircuito.
(1) Mejorar la resistencia mecánica del devanado.
Cuando se produce un cortocircuito, el lado interior y el extremo del devanado de alto voltaje son los más estresantes y fáciles de producir deformaciones, por lo que la bobina debe elegir una estructura circular, esta estructura tiene buenas características de resistencia al rendimiento.
En el lado interno del devanado laminado de alto voltaje, la estabilidad del alambre redondo esmaltado apilado axialmente es deficiente, por lo que la bobina debe usar alambre plano, lo que puede mejorar la estabilidad del lado interno del devanado.
Además, aumenta la dureza del cable, la elección razonable de la tensión del devanado del cable, el aislamiento de la capa entre el uso de papel punteado de curado térmico puede mejorar la resistencia mecánica del devanado.
(2) Garantizar el equilibrio de giro de seguridad.
El devanado de alto voltaje del transformador de energía eólica adopta principalmente una estructura de bobina de dos capas, entre los dos devanados y el extremo del devanado, el balance de giros de alto y bajo voltaje es deficiente, la línea de fuerza magnética está distorsionada, la fuerza de cortocircuito axial es demasiado grande, el diseño debe controlar la diferencia de altura de la reactancia de la bobina de alto y bajo voltaje para garantizar el equilibrio de los giros de seguridad.
Además, las bobinas de bajo voltaje utilizan principalmente lámina de cobre, las bobinas de alto voltaje tienen aislamiento final y aislamiento de giro, después de que el cuerpo se seque, la lámina de cobre no se encoge, el aislamiento final de alto voltaje y el aislamiento de giro se encogen, causando que el punto central de Bobinas de alto y bajo voltaje para cambiar, el diseño debe considerar la contracción del aislamiento final y el aislamiento de giro y dar el margen correspondiente.
(3) Optimizar la estructura de prospectos.
El espacio interno del tanque del transformador montado en almohadilla es pequeño, muchos componentes, la estructura del cable afecta la operación segura del transformador.
La disposición razonable de los componentes es fundamental para la calidad de los cables, y se deben evitar las estructuras complejas para garantizar la resistencia del aislamiento y la distancia eléctrica de los cables.
Desde la carcasa de alto voltaje hasta el cuerpo del dispositivo de la línea de conexión, debe sujetarse, en general es fácil de operar y verificar; Los cables de bajo voltaje deben tener suficiente resistencia mecánica, sujetados sólidamente y confiables, para evitar la fila de cobre en la fuerza eléctrica de cortocircuito bajo la acción de la fila de cobre entre o la fila de cobre a tierra en cortocircuito.
(4) mejorar el diseño del fusible.
En el transformador combinado montado en plataforma, el fusible de rango completo enchufable se coloca dentro del tanque, que tiene ciertos defectos.
Con las diferentes estaciones y la carga del transformador montado en plataforma, la temperatura del aceite cambia significativamente, lo que resulta en fusibles erróneos o que se niegan a fusionarse.
En segundo lugar, la falla del propio fusible puede provocar que el cuerpo se queme; además, el fusible aumenta la complejidad de la conexión dentro de la caja, y el fusible es propenso a fallas de descarga entre el fusible y el cable, la abrazadera y el tanque de aceite.
Reemplace la estructura del interruptor de carga sumergido en aceite más el fusible insertado con un interruptor de carga de vacío más un fusible limitador de corriente ordinario, colocado en la cámara de alto voltaje del transformador montado en la plataforma, el cambio de temperatura dentro de la cámara es menor que la temperatura del aceite, lo que puede reducir el probabilidad de fusible equivocado y rechazo.
La explosión y descarga del fusible no causará un cortocircuito en el cuerpo del dispositivo, lo que puede eliminar el fenómeno de la fuga del fusible y puede simplificar en gran medida la complejidad de los cables de alto voltaje dentro del tanque, reducir el espacio dentro del tanque y reducir la cantidad de aceite utilizado.
Debido al entorno operativo hostil y las condiciones de trabajo complejas de las plantas de energía eólica, la tasa de fallas del transformador elevador de la turbina eólica es significativamente más alta que la del transformador montado en plataforma de distribución civil, y varias fallas de cortocircuito afectan seriamente la operación segura de la energía eólica. plantas de energía.
Cada eslabón del sistema de energía eólica está conectado entre sí y se afecta entre sí. Los diseñadores de transformadores tipo pedestal deben comprender las características operativas de todo el sistema, fortalecer la comunicación con cada enlace y mejorar la resistencia a cortocircuitos del transformador tipo pedestal al mismo tiempo, también deben cooperar con los fabricantes aguas arriba y aguas abajo. del sistema para reducir conjuntamente las fuentes de fallas de cortocircuito y reducir la probabilidad de ocurrencia.
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