ELECTRIC, WITH AN EDGE
En este documento, evaluamos el aislamiento y el rendimiento térmico del fluido de éster y el aceite mineral, y presentamos las tecnologías clave en el diseño, fabricación y prueba de dichos productos, tomando como ejemplo el desarrollo del transformador de energía eólica marina de 6800kVA/35kV.
Con el rápido desarrollo de la energía eólica marina, la necesidad de una transmisión de energía eólica de alta capacidad y larga distancia es cada vez más urgente. Los sistemas de energía eólica marina están limitados por los dispositivos de conversión de frecuencia, el espacio de instalación y los entornos hostiles, por lo que existen requisitos especiales para las turbinas eólicas, los equipos convertidores, los transformadores de energía eólica y otros equipos de transmisión y subestaciones, así como para la operación y el mantenimiento.
El transformador de energía eólica marina se está convirtiendo gradualmente en una parte importante del desarrollo de la energía eólica marina y es una de las tecnologías clave para el desarrollo de la energía eólica marina en aguas más grandes, más profundas y más distantes. Sin embargo, la falta de estándares y datos operativos hace que muchos problemas y métodos en el diseño de transformadores de energía eólica marina aún se encuentren en la fase de investigación y desarrollo, y la aplicación de tecnologías relacionadas aún no se ha verificado.
El funcionamiento de un transformador de energía eólica marina es diferente al de un transformador de energía eólica convencional; Las principales diferencias entre la energía eólica marina y la energía eólica terrestre son las altas horas de utilización y un proceso de generación de energía más fluido, costos particularmente altos de mantenimiento y reparación, restricciones estrictas de volumen y peso, y fuertes vibraciones mecánicas. Los requisitos de diseño son protección ambiental, protección contra incendios; confiabilidad extrema, muy baja tasa de fallas, alta capacidad de sobrecarga; estructura compacta para adaptarse a la puerta; fácil instalación, peso ligero; sin mantenimiento o menos mantenimiento y bajos costos de mantenimiento.
En este artículo, presento el desarrollo y el diseño del transformador de energía eólica marina de capacidad única más grande de 6 800 kVA/35 kV, 3 transformadores de energía eólica con turbina eólica marina Haliade de 150-6 MW.
Un transformador eólico es un transformador eólico elevador porque las turbinas eólicas marinas utilizan transformadores eólicos elevadores para conectar la turbina a la red, por lo que el transformador eólico es un transformador eólico elevador, que se instala en la torre y requiere aceite. -Transformador eólico sumergido.
En el diseño eléctrico de un transformador eólico marino, se debe prestar atención en primer lugar a las sobretensiones transitorias muy rápidas (VFTO), armónicos y cargas no sinusoidales y fluctuaciones de carga; en segundo lugar, en el diseño mecánico, se debe prestar especial atención a las vibraciones mecánicas, la irrupción de excitación, el funcionamiento continuo de baja tensión y la refrigeración.
Finalmente, estas diversas variaciones requirieron una revisión de las materias primas utilizadas y una evaluación de éster versus aceites minerales en términos de aislamiento y rendimiento térmico, incluidas modificaciones clave en el diseño, la fabricación y las pruebas para garantizar un rendimiento superior y una vida más larga.
La disposición del devanado del transformador de energía eólica principal y del transformador de energía eólica auxiliar se muestra en la Figura 1, y la transferencia de energía se muestra en la Figura 2. El cuerpo del transformador principal LV1-HV y el cuerpo del transformador auxiliar LV1-LV2 comparten un tanque de aceite común , donde el transformador principal LV1 está conectado al transformador auxiliar LV1 a través de un fusible, y el transformador auxiliar suministra energía al equipo auxiliar del aerogenerador. El transformador de la turbina eólica se enfría mediante circuitos primarios y secundarios, siendo el circuito primario el refrigerante de nivel K que va al intercambiador de agua para el intercambio de calor y el circuito secundario el agua que va al enfriador de aire para el intercambio de calor.
Temperatura ambiente: -10 ~ +45 ℃, humedad 90 %, protección anticorrosión C4
Dimensión: ≤3 500 mm × 1 100 mm × 3 250 mm (L × W × H)
Peso total: <12t
Vibración: >10Hz (frecuencia característica de primer orden)
Número de fases: tres fases
Frecuencia: 50Hz, rango de variación ±5%
Material de bobinado: cobre
Capacidad nominal: 6 800kVA, 200kVA
Grupo de acoplamiento: Dyn11 (6 800kVA), Dyn11 (200kVA)
Tensión nominal: HV/LV1: 35±2×2,5 %/0,84 kV, rango de variación ±10 %
LV1/LV2：0.84/0.41kV，rango de variación±10%
Voltaje armónico: el componente de CC se puede ignorar, la frecuencia armónica de voltaje más alto 2kHz ~ 5kHz, armónicos totales <5%, voltaje pico armónico del lado LV <2kV
Corriente armónica: armónicos totales <5%
Nivel de aislamiento: LI200AC85/LI40AC10 (6 800kVA).
LI40AC10/AC3 (200kVA)
Impedancia de cortocircuito: 9,5% (6800kVA), capacidad de cortocircuito 1000MVA
5% (200kVA)
Pérdida sin carga: 6.8kW
Pérdida de carga: 60,5kW
Aumento de temperatura: líquido de éster superior ≤ 80K, aumento de temperatura promedio de los devanados ≤ 110K
Medio refrigerante: líquido de éster sintético MIDEL 7131
Método de refrigeración: refrigeración por agua circulante de éster sintético forzado KFWF
Gabinete de almacenamiento de aceite: gabinete de almacenamiento de aceite tipo cápsula y absorbente de humedad sin mantenimiento
Corriente de entrada de excitación: pico <7,5 × Ir (Ir es la corriente nominal del devanado de alto voltaje)
Descarga parcial: <50pC (1,2×Ur, Ur es la tensión nominal del devanado de alta tensión)
Esta sección se centra en las consideraciones clave para el diseño eléctrico, como sobrevoltaje/bajo voltaje transitorio repetitivo de alta frecuencia en el rango de 0~1kHz; Armónicos y fluctuaciones de carga.
El diseño eléctrico tiene en cuenta una variedad de sobretensiones diferentes, cuyas distinciones de frecuencia se muestran en la Tabla 1.
Diferenciación de rangos de frecuencia
Calificación | Rango de frecuencia típico | Sobretensión |
Oscilación de baja frecuencia | 0.1Hz~3kHz | Sobretensión de corta duración |
Pulsos de baja frecuencia | 50/60Hz~20kHz | Sobretensión de conmutación |
Pulso de alta frecuencia | 10kHz~3MHz | Sobretensión por rayo |
Pulsos de muy alta frecuencia | 100kHz~50MHz | Sobretensión transitoria muy rápida (VFTO) |
En la Tabla 1, además de los rayos y las sobretensiones de frecuencia industrial, el mayor riesgo de falla operativa del transformador de energía eólica es la sobretensión transitoria muy rápida (VFTO), con una frecuencia típica de 100 kHz a 50 MHz.
En la Figura 3 se muestra un ejemplo típico de forma de onda VFTO, con un tiempo de frente de onda de solo 0,044 µs, un tiempo de frente de onda corto que afecta gravemente a la tensión soportada del aislamiento interno del transformador de energía eólica. Solo en Brasil y América del Norte, 154 transformadores han sufrido ruptura del aislamiento debido a sobretensiones transitorias excepcionalmente rápidas.
El transformador de energía eólica marina se instala en la torre o góndola, lo que permite que la turbina eólica y el transformador estén estrechamente conectados, reduciendo la longitud del cable y conectando el cable de alta tensión del transformador de energía eólica al disyuntor de vacío.
Los cables monofásicos y los transformadores se simplifican en la Figura 4, los parámetros de distribución de onda del cable y de la línea aérea son claramente diferentes, porque el espaciado del conductor del cable es mucho más pequeño que el de la línea aérea, por lo que la capacitancia al cable a tierra es mucho mayor, mientras que el mismo longitud del cable que la reactancia de la línea aérea es mucho menor debido al aumento de la inductancia mutua entre los cables. Existen líneas aéreas entre la capacitancia de línea, mientras que el cable está blindado individualmente sin capacitancia entre líneas.
La estructura del devanado del transformador de energía eólica diferente tiene una frecuencia inherente diferente, los interruptores automáticos de vacío tienen un tiempo de apertura extremadamente rápido.
El lado de alto y bajo voltaje de la operación de ruptura del interruptor produce una sobretensión transitoria muy rápida, la duración de solo unos pocos milisegundos, el tiempo de frente de onda de unos pocos nanosegundos a decenas de nanosegundos, proceso de apertura del interruptor de circuito de alto voltaje, un muy El tiempo de frente de onda de sobretensión transitoria rápida es aproximadamente 50 veces más corto que la onda completa de descarga eléctrica de 1,2 μs.
La relación de voltaje de alta frecuencia está determinada por la capacitancia y la inductancia parásitas juntas, por ejemplo, una turbina eólica de 6 800 kVA/35 kV, la relación de voltaje es de aproximadamente 0,015 a 50 Hz y de aproximadamente 1,5 a 2 MHz, luego la onda sinusoidal de 2 MHz producirá aproximadamente 100 veces sobretensión
El sistema de aislamiento de aceite y papel, que acorta el tiempo de subida del frente de onda, tiene una tensión soportada de vuelta a vuelta significativamente más baja. Las características de voltios por segundo del aceite bajo un campo eléctrico uniforme se muestran en la Fig. 5. En comparación con el tiempo de frente de onda de voltaje de pico de rayo estándar de 1,2 μs, el voltaje de ruptura se reduce en aproximadamente un 12 % para un tiempo de frente de onda de 0,7 μs y en 35 μs. %-40% para un tiempo de frente de onda de 0,044 μs para una sobretensión transitoria extra rápida.
La sobretensión transitoria extra rápida se transmite al transformador en la turbina eólica a través del cable. Si la frecuencia principal de la sobretensión transitoria extra rápida causada por la operación de conmutación en el lado de baja tensión y el lado de alta tensión es la misma que la frecuencia inherente del devanado, puede generar resonancia eléctrica y producir una sobretensión muchas veces superior al nivel de tensión original. .
En un parque eólico marino con múltiples fallas a tierra monofásicas, la sobretensión de oscilación del disyuntor desconectado alcanza 7 veces la tensión normal de funcionamiento (la sobretensión máxima de un transformador de potencia convencional en un aerogenerador es de unas 4,5 veces), lo que supera la máxima sobrevoltaje de un transformador convencional en una turbina eólica, y el sobrevoltaje puede conducir a una ruptura entre espiras o entre capas debido a que la intensidad del campo entre espiras supera la resistencia soportada del aislamiento.
El transformador de energía eólica marina considera la sobretensión transitoria extra rápida, un método es utilizar componentes como pararrayos, condensadores o resistencias para la protección del búfer.
Otro método es cambiar la forma de la estructura del devanado, porque el tipo de capa de selección de devanado, el tipo de tarta o el tipo de capa de múltiples segmentos tiene una frecuencia inherente diferente.
La frecuencia intrínseca de primer orden del devanado de capa es de aproximadamente 1 MHz, y no es recomendable utilizar cables de 50 m de largo para alta tensión para evitar resonancias.
La frecuencia intrínseca de primer orden del devanado circular es de aproximadamente 70 kHz, mientras que la frecuencia intrínseca de orden superior está asociada con 100 kHz~500 kHz. Teniendo en cuenta la evitación de la resonancia, no es aconsejable utilizar un cable de más de 100 m de largo para alta tensión; la frecuencia intrínseca de primer orden del devanado de capa multietapa es de aproximadamente 10kHz~1MHz o más de 1MHz.
Centrándose en la consideración de la sobretensión transitoria extra rápida, el transformador de 6 800 kVA/35 kV en el devanado de alto voltaje de la turbina eólica debe elegir el devanado de capa o el devanado de capa de múltiples segmentos, y su sobretensión de oscilación entre vueltas y entre capas debe diseñarse de acuerdo con 7 veces de tensión normal de trabajo; Se deben agregar 2 capas de aislamiento al principio y al final de la alta tensión, y el aislamiento principal se debe formar en anillos de esquina, y las partes que forman el aislamiento se deben agregar en la salida de alta tensión.
El software de cálculo del proceso de onda se puede utilizar para calcular la frecuencia inherente. GB1094.16 especifica el método de medición de frecuencia de resonancia eléctrica, a través del cortocircuito de bajo voltaje y el solapamiento de respuesta de dos frecuencias de circuito abierto de bajo voltaje es la frecuencia de resonancia eléctrica.
El transformador de energía eólica recomienda considerar sobretensiones transitorias extra rápidas de acuerdo con el sistema del parque eólico, y mejorar adecuadamente el nivel de aislamiento, el estándar a mejorar; la prueba debe enfocarse en: voltaje de sobretensión más alto, tiempo de cabeza de onda más corto, voltaje de sobretensión de corte más alto y onda de operación de conmutación más larga, mientras que los terminales del devanado que no son de prueba no están conectados a tierra.
Las cargas no lineales adicionales, como los disyuntores, los motores giratorios y los variadores de frecuencia en los sistemas de energía eólica, generan armónicos, y estos armónicos acumulados se repiten una y otra vez, aumentando los picos de voltaje y corriente cuando no son frecuencias fundamentales. Las turbinas eólicas, al igual que los generadores convencionales, producen distorsión del generador y generan armónicos.
Además de estos armónicos generados por el generador, también hay armónicos destructivos generados por el inversor de fuente de voltaje PWM. Los transformadores de energía eólica a menudo están sujetos a armónicos y corrientes de carga no sinusoidales, y la norma IEC 60076-16 ha señalado este riesgo y estipula que el cliente debe proporcionar un espectro de armónicos.
El peligro de los armónicos es el aumento de las corrientes de Foucault y las pérdidas parásitas en el transformador de la turbina eólica. Las corrientes de Foucault y las corrientes circulantes en los conductores del devanado provocan un calentamiento adicional y deben tratarse con enfriamiento adicional para evitar el deterioro prematuro del aislamiento y fallas locales por sobrecalentamiento en el transformador de la turbina eólica.
La presencia de corrientes armónicas provocará caídas de tensión armónica en la impedancia de línea. El voltaje armónico aumentará la densidad de flujo del transformador en la turbina eólica, la pérdida sin carga, la corriente sin carga, el ruido y el aumento de la temperatura central.
Considerando las variaciones de frecuencia y voltaje, el diseño del aerogenerador de 6 800kVA/35kV considera un 15% de sobrevoltaje, y la lámina de acero al silicio se selecciona como 30RK105 con una densidad magnética de saturación mínima de 1,9T y una densidad magnética operativa de alrededor de 1,65T.
La pérdida y la temperatura aumentan al 5% de la corriente armónica total; finalmente, el componente de alta frecuencia también se considera para evitar el sobrecalentamiento local de las partes estructurales metálicas.
En los sistemas de energía eólica y fotovoltaica, los inversores tienen la mayor tasa de fallas. Los armónicos generados por los inversores de fuente de tensión PWM (frecuencia de conmutación de aproximadamente 4 kHz) contienen componentes de alta frecuencia (frecuencias de 350 Hz, 450 Hz, hasta 2 kHz).
Si pasa a través del transformador de la turbina eólica, puede afectar al transformador de la turbina eólica y a otros dispositivos de la red, p. el equipo de protección puede ver esto como una falla e intentar cortar la turbina.
La colocación de una pantalla electrostática puesta a tierra entre los devanados primario y secundario del transformador de energía eólica actúa como un filtro y evita la transferencia de componentes armónicos de alta frecuencia peligrosos al lado de alta tensión.
Siempre que se utilicen inversores de fuente de voltaje PWM, el transformador en el devanado de alto y bajo voltaje de la turbina eólica debe colocarse entre la pantalla electrostática de tierra, como el transformador de excitación en la turbina eólica, el transformador fotovoltaico en la turbina eólica y el transformador de energía eólica, etc. las cuatro funciones principales son las siguientes.
① suprimir la sobretensión. La pantalla electrostática hace que la capacitancia parásita entre los devanados primario y secundario sea cercana a cero, inhibiendo la transmisión de sobretensiones.
② suprimir la transmisión de armónicos altos. Pantalla electrostática para inhibir el circuito rectificador generado por los altos armónicos al lado de la red; ② inhibir la transferencia de armónicos altos.
③Reduce el ruido electrostático. La instalación de una pantalla electrostática entre los devanados de alta y baja tensión contribuye a reducir el ruido electrostático causado por los armónicos; ③ reducir el ruido electrostático.
④ Evitar el mal funcionamiento del equipo de protección. La línea de pantalla de puesta a tierra también debe soportar una corriente de cortocircuito de 1kA, 1s.
Las variaciones en la energía eólica significan que la turbina funciona bajo una carga que cambia constantemente y el transformador de la turbina eólica está sujeto a frecuentes ciclos alternos diarios de calor y frío.
En contraste con el transformador de potencia convencional en las turbinas eólicas que operan diariamente bajo una sola carga, la turbina eólica puede pasar de cargas muy bajas a cargas muy altas muchas veces al día bajo el viento local momentáneo.
Este ciclo desencadena tensiones térmicas y mecánicas repetitivas en los devanados, el cuerpo y los componentes estructurales sujetos. Los ciclos de tensión térmica repetitivos hacen que el aire (o nitrógeno) sea absorbido por el aceite caliente y luego liberado a medida que el aceite se enfría, formando pequeñas burbujas en el aceite que se transfieren a los componentes del aislamiento para formar descargas parciales o puntos calientes que pueden conducir al aislamiento. pérdida y deterioro. Del mismo modo, los ciclos térmicos continuos pueden acelerar el desencadenamiento del envejecimiento de los componentes de conexión eléctrica internos y externos.
El efecto acumulativo de los frecuentes ciclos de carga baja a alta expone al transformador de energía eólica marina a un mayor riesgo de falla por fatiga del aislamiento.
Las propiedades mecánicas, flexibilidad, elasticidad e inexpugnabilidad del papel aislante de la capa intermedia y del aislamiento final deben tenerse en cuenta en el diseño del transformador de energía eólica marina 6 800kVA/35kV.
Para el transformador eólico sumergido en aceite, el líquido en el punto de descarga parcial se puede reemplazar y la resistencia del aislamiento se puede restaurar en cualquier momento mediante la inyección de un nuevo líquido aislante.
En comparación con el transformador seco en una turbina eólica, la resistencia al calor del material aislante de alta temperatura y las propiedades eléctricas del fluido K éster hacen que el aislamiento del transformador de inmersión en líquido en una turbina eólica sea menos sensible a las altas tensiones eléctricas impuestas por el encendido frecuente. y apagado, sobretensiones de transferencia y sobretensiones transitorias.
Para facilitar el acceso y el mantenimiento, garantizar la resistencia y evitar daños a la torre de la turbina eólica, el transformador de la turbina eólica debe poder pasar a través de la puerta.
Transformador 6800kVA/35kV en aerogenerador dimensiones externas ≤ 3 500mm×1 100mm×3 250mm (largo×ancho×alto), peso total <12t.
El tamaño de la puerta del transformador de energía eólica de 6800 kVA/35 kV y el peso total deben ser considerados cuidadosamente.
Además de la impedancia y pérdida de cortocircuito y otros requisitos de parámetros de rendimiento, pero también para cumplir con los requisitos de tamaño y peso total, en el diseño de la preparación especial del programa de diseño de optimización electromagnética cálculos repetidos, y finalmente convergen en el esquema de diseño óptimo, bobinado de tipo más delgado y alto; para cumplir con los requisitos de peso total, como la sujeción de piezas con madera laminada de alta densidad.
Además de la resonancia eléctrica de sobretensión transitoria rápida especial, la estructura también debe centrarse en la resonancia mecánica, 6 transformadores de 800 kVA/35 kV en la frecuencia característica de primer orden de la vibración de la turbina eólica > 10 Hz. Un gran número de casos muestran que el transformador de un aerogenerador instalado en la góndola o torre se ve afectado por las vibraciones generadas por el ventilador. Cuando la carga del viento golpea las palas de la turbina, hará que el transformador de la turbina vibre violentamente.
Para mitigar los efectos de la vibración, el uso del transformador eólico sumergido en aceite se puede mejorar adecuadamente (el líquido de aislamiento es equivalente a la amortiguación), la inmersión en líquido que el transformador fundido con epoxi puede soportar más eficazmente el desplazamiento de la vibración y las tensiones de resonancia mecánica generadas a frecuencias resonantes de 5 Hz. ~ 250 Hz.
El transformador de energía eólica de 6 800kVA/35kV se diseñó utilizando el software SolidWorks y se realizaron simulaciones de vibración específicamente.
El modelo de malla de simulación de vibraciones se muestra en la Fig. 6. Las partes de paredes delgadas del tanque se dividen en celdas de cubierta, mientras que la placa de refuerzo, las partes fijas y otras partes cuyo grosor y sección transversal no difieren mucho se dividen en sólidos mallas El material del tanque y la placa de refuerzo es acero, y el módulo de elasticidad se establece en 2,1e5MPa, la relación de Poisson es de 0,3 y la densidad es de 7850 kg/m3.
El contacto y la restricción se muestran en la Fig. 7. El contacto entre todas las partes se establece como contacto ligado durante la simulación. El tanque de aceite del transformador 6 800kVA/35kV está reforzado tanto horizontal como verticalmente como una forma de reducir la vibración.
Además, los miembros estructurales están reforzados dentro del transformador para mantenerlo en su lugar de modo que el cuerpo del transformador no se desplace en ninguna dirección. El modelo se coloca agregando placas de montaje de soporte y se agregan restricciones fijas a las dos placas de montaje en la parte inferior del tanque y las tres placas de montaje en la cubierta.
La frecuencia inherente de primer orden de la simulación del transformador de 6 800 kVA/35 kV (consulte la Figura 8) es 28,885 Hz > 10 Hz, lo que cumple con los requisitos.
La Figura 9 prueba la frecuencia inherente del transformador de 6 800 kVA/35 kV levantando el transformador con una cuerda flexible y dejándolo libre.
Método de prueba de derribo usando prueba de función de respuesta de choque, frente al tanque del transformador, atrás, izquierda y derecha cuatro lados, respectivamente, después del análisis de datos de prueba, la frecuencia inherente de primer orden del transformador de prueba 6 800kVA / 35kV de 19Hz> 10Hz, para cumplir con los requisitos.
Además, en el diseño mecánico se debe considerar cuidadosamente la confiabilidad del acoplamiento del devanado o de la junta de plomo y la prevención de aflojamiento de pernos. Si el acoplamiento del devanado o las uniones de los conductores no funcionan correctamente, las vibraciones durante el transporte, los cortocircuitos y el funcionamiento pueden provocar fallas por fatiga.
La selección del cable conductor y la distancia de aislamiento del cable conductor a la pared de la caja se determinan según el nivel de aislamiento, y la sujeción del cable debe ser confiable. Se debe prestar especial atención a la transferencia de la tensión de vibración a los terminales de conexión, como los casquillos, que deben estar bien soportados.
La función elevadora del generador es importante para el transformador de energía eólica y está diseñada para cumplir con los requisitos de acuerdo con el transformador del generador. Tan pronto como la turbina eólica comienza a generar electricidad, la potencia fluye hacia la carga a través del lado de baja tensión de la turbina eólica.
Las pérdidas sin carga y las corrientes sin carga del transformador de energía eólica son pequeñas, lo que conduce a largos tiempos de irrupción de excitación y puede generar una protección falsa. En el diseño, la corriente de arranque de excitación y la corriente de arranque deben considerarse para los componentes estructurales del cuerpo del transformador de energía eólica relacionados.
El transformador de 6 800 kVA/35 kV requiere un valor pico de irrupción de excitación de <7,5 Ir.
El software de simulación calcula la corriente de irrupción de excitación máxima como 609,11 A y la corriente nominal Ir=112,17 A, 609,11/112,17≈5,4<7,5, lo que cumple los requisitos técnicos.
La capacidad de conducción de bajo voltaje del transformador de energía eólica para presentar mayores requisitos de tensión eléctrica, magnética, térmica y mecánica, el transformador de fuerza en el papel de sobrecorriente causada por un cortocircuito externo no debe sufrir daños, el tiempo de estabilidad dinámica del cortocircuito del transformador es de 0,25 s; Transformador de energía eólica y caída de voltaje de la red del 20%, el tiempo de viaje requerido de 0.625s>0.25s, el transformador de energía eólica requiere una excelente capacidad para soportar cortocircuitos.
Teniendo en cuenta los requisitos de resistencia mecánica de cortocircuito de un transformador de energía eólica de 6 800 kVA/35 kV, se selecciona una lámina de cobre para el devanado de bajo voltaje y un alambre plano esmaltado semiduro de grado 200 para alta temperatura se selecciona para el devanado de alto voltaje; el devanado es redondo en lugar de ovalado.
En el diseño, la fuerza de cortocircuito debe ser pequeña y la fuerza de protección debe ser grande; en la producción, asegure el bobinado apretado, la manga apretada y la compresión apretada. Debido a la limitación de espacio, no se repetirán las medidas detalladas para mejorar la resistencia mecánica del cortocircuito.
El proceso debe centrarse en si el papel punteado de aislamiento de la capa intermedia se cura de manera efectiva, el tiempo de calentamiento del curado del papel resistente al calor debe extenderse adecuadamente.
La vida útil del transformador está determinada por el aumento de la temperatura del punto caliente del devanado, el aumento de la temperatura del punto caliente aumenta entre 6 °C y 7 °C y la vida mecánica del aislamiento de celulosa se reduce a la mitad. Bajo condiciones típicas de operación (incluyendo sobrecarga, altas temperaturas y baja eficiencia de enfriamiento), las propiedades térmicas superiores de los materiales aislantes de alta temperatura con fluidos aislantes de alta temperatura previenen de manera efectiva el envejecimiento térmico.
La opción preferida es un transformador KNAN compacto y enfriado naturalmente. Cuando la potencia de la turbina alcanza los 4 MW o más, se vuelve importante un enfriador separado, ya que las pérdidas del transformador generan calor que no permite la disipación directa de calor hacia la torre o la góndola.
El enfriamiento del transformador de 6800kVA/35kV se logró mediante un KFWF.
El diseño se basa en primer lugar en el estándar de aumento de temperatura IEC60076.2 para realizar la corrección del aumento de temperatura: temperatura ambiente -10 ℃ ~ +45 ℃, corrección de aumento de temperatura ambiente promedio Kav = 27.5-20 = 7.5, corrección de aumento de temperatura ambiente máxima Kmax = 45- 40=5, luego el requisito de aumento de temperatura del líquido de éster superior Δθ0=80-5=75K, requisito de aumento de temperatura promedio del devanado Δθw=110-7.5=102.5K; en segundo lugar, debemos considerar el efecto de la corriente armónica.
Finalmente, se debe considerar la influencia de la radiación solar externa en el aumento de temperatura, tal como la norma de referencia IEC60721-4-4, la influencia de la luz solar directa es de 1 120W/m2, si en el cálculo no se tiene en cuenta, el aumento de temperatura aumentará en 15 ℃.
Para reducir el aumento de la temperatura del punto caliente, se prefiere KDWF, pero la estructura se complica al aumentar la trayectoria de guía del cuerpo.
Al aumentar el área de la sección transversal del conductor del devanado, reduzca la pérdida por corrientes de Foucault y la pérdida parásita para reducir la pérdida de carga, en comparación con el alambre de cobre, el alambre de aluminio es una opción más económica, el devanado de aluminio debido a la diferencia en la densidad de corriente, la energía eólica del devanado de aluminio El factor de forma del transformador será apropiado para aumentar, es necesario sopesar el tamaño de la puerta y el límite de peso total.
La feroz competencia en la industria de los transformadores y cuestiones como la protección del medio ambiente, la prevención de incendios y la reducción de las emisiones de carbono han empujado a la industria de los transformadores a utilizar un fluido aislante de grado K respetuoso con el medio ambiente, que se divide en dos tipos: éster natural y éster sintético.
En este documento, comparo algunas de las propiedades clave del aceite mineral y el fluido de éster, que cubren algunos contenidos importantes con el fin de brindar orientación para el diseño de una comprensión profunda de las ventajas y desventajas del fluido de éster, la protección ambiental y el fuego. la prevención y otras propiedades no se repetirán.
Para los diseñadores de transformadores, la capacidad del fluido aislante para soportar sobretensiones transitorias es muy importante. Las sobretensiones transitorias pueden ser de polaridad positiva o negativa. En un campo eléctrico uniforme, la polaridad positiva y negativa no tiene efecto sobre el voltaje de ruptura.
Aunque la polaridad positiva y negativa tiene poco o ningún efecto sobre el voltaje de ruptura del líquido en un campo uniforme, el líquido en un campo eléctrico no homogéneo tiene un gran impacto.
En el cartón, un espacio máximo de no más de 100 mm, con el método de distribución de placa de aguja (intensidad de campo desigual extrema), el valor de voltaje de ruptura del rayo líquido de éster es cercano al 65% en aceite mineral, espacio de 100 mm ~ 1 000 mm para 40%. Cuando la intensidad del campo se distribuye uniformemente, el voltaje de ruptura del rayo es casi el mismo para el fluido de éster y el aceite mineral.
Diseño de aislamiento de transformadores de 6800kVA/35kV, aumento del aceite mineral en un 30 % para el diseño de aislamiento, distribución uniforme de la fuerza de campo y consideración de una mayor separación de cartón y evitar grandes espacios de aceite, partes clave, incluido el plomo a la pared del tanque, etc.
La distancia del devanado de alto voltaje al núcleo y a tierra y la distancia de fase deben aumentarse en un 30 % en comparación con los transformadores de aceite mineral. Además, el espacio entre los terminales del interruptor y la distancia de aislamiento dentro del cabezal de conexión del cable deben ampliarse adecuadamente.
La descarga parcial es una prueba de control de calidad que puede reflejar algunos problemas en el diseño, el material y el proceso de producción. La descarga parcial en fluido de éster ocurre a un voltaje más bajo que el aceite mineral.
Tres transformadores de energía eólica marina 6 800kVA/35kV, el ruido de fondo durante la prueba es de 20pC y la descarga parcial por debajo de 1,2Ur es de 30pC~40pC, menos de 50pC.
Si la prueba de la cabeza del cable de alto voltaje y otra conexión a tierra deficiente, también causará una descarga local de 200pC ~ 1 000pC; si el tiempo de descarga estática no es suficiente, el voltaje de descarga parcial inicial será muy bajo, en 1.2Ur la descarga parcial puede alcanzar 500pC ~ 2 000pC, lo que puede provocar daños en el aislamiento local del transformador.
La compatibilidad de los materiales es fundamental en el diseño del transformador eólico sumergido en aceite. Para la compatibilidad, las principales consideraciones son las variaciones en el índice de acidez, la pérdida dieléctrica, la viscosidad y la tensión superficial.
En general, los materiales utilizados para producir transformadores de aceite mineral estándar son compatibles con los fluidos de éster. Los materiales se enumeran por tipo, pero puede haber varias formulaciones patentadas diferentes dentro de un tipo particular.
La reacción de diferentes formulaciones de materiales a los fluidos de éster puede variar según la pequeña cantidad de aditivos, y esto es especialmente cierto para los elastómeros y polímeros, como el barniz conductor, la pintura de la pared de la caja y los cables secundarios, y la compatibilidad con los fluidos de éster.
Los materiales de sellado para el transformador de energía eólica marina 6 800kVA/35kV se seleccionaron todos de fluoroelastómero (o caucho de fluorosilicona) después de una serie de pruebas de compatibilidad.
Es importante tener en cuenta que los límites de contenido de agua para los aceites minerales no se aplican directamente a los fluidos de éster porque son higroscópicos y pueden retener más agua y aun así mantener los valores de rigidez dieléctrica permitidos.
Sin embargo, el efecto del contenido de agua sobre la rigidez dieléctrica, en función de la saturación, es el mismo para los fluidos de éster y los aceites minerales.
El contenido de agua que no afecta la rigidez dieléctrica del transformador eólico sumergido en aceite después de la puesta en servicio es de aproximadamente 400 ppm o menos.
Para eliminar la humedad de las piezas aislantes y aumentar la tasa de impregnación, el líquido aislante del transformador se calienta antes del filtrado al vacío.
Un calentamiento excesivo tiene un efecto negativo sobre el factor de pérdida dieléctrica del fluido aislante. Los fluidos de éster tienen un límite térmico más bajo para iniciar el cambio de fase que el aceite mineral.
Durante el procesamiento, el fluido de éster tiene un tiempo de contacto más prolongado con el elemento calefactor en comparación con el aceite mineral debido a su mayor viscosidad.
Una posible solución es limitar la densidad de potencia máxima o la densidad de calentamiento, preferiblemente mediante el uso de calentadores de placa (área calentada aumentada y calentamiento concentrado reducido).
Cuando se excede la temperatura crítica de calentamiento, puede ocurrir la descomposición y carbonización de moléculas y partículas polares debido al sobrecalentamiento local, que puede verse claramente experimentalmente como una capa de líquido adherida a la superficie del calentador, que no se ve en los aceites minerales.
La mayor viscosidad del fluido éster tiene una mayor influencia en la turbulencia del fluido aislante del transformador, el tiempo de impregnación del aislamiento sólido, el tiempo de reposo antes de la capacidad de prueba y las características térmicas generales.
Debido a la mayor densidad y viscosidad del fluido de éster, el aislamiento sólido tarda más en impregnarse a una temperatura determinada. Debido a la naturaleza higroscópica, la humedad tiende a permanecer en la solución de éster más que en el aceite mineral, lo que aumenta la vida útil del sistema de aislamiento.
Los barnices aislantes, Nomex y las fibras de vidrio son materiales compuestos y no están completamente impregnados con la solución aislante.
El papel, el cartón y la madera laminada se basan en materiales naturales y pueden impregnarse completamente con el líquido aislante.
Los anillos de extremo de madera laminada más gruesa y las placas de presión, etc. ranuradas y perforadas deben aumentarse adecuadamente para mejorar el rendimiento de la impregnación con éster.
Tiempo de impregnación del aislamiento, a la misma temperatura, el tiempo de impregnación de celulosa líquida de éster es el doble que el aceite mineral.
Los requisitos de temperatura para el llenado de aceite de transformadores, con fluidos de éster que requieren temperaturas de fluido más altas.
El tiempo de reposo antes de la prueba de aislamiento es casi el doble que el del aceite mineral a la misma temperatura para el fluido de éster. El tiempo de procesamiento del fluido de éster es mucho más largo que el del aceite mineral.
6 Líquido aislante para transformadores de 800 kVA/35 kV que usa éster sintético Midel7131, la temperatura del aceite para la inyección de aceite al vacío en el proceso de tratamiento es de 80 ℃ ~ 90 ℃, y la presión se establece en 0,5 mbar ~ 4 mbar.
El tiempo de circulación del aceite caliente en todo el sistema del transformador debe alcanzar las 108 h.
Después de la circulación de aceite caliente, debe ser estático y el tiempo estático es de al menos 96 h.
El control de la granularidad requiere la sustitución de los elementos filtrantes 1 de nivel 10 μ y 2 de nivel 1 μ. Para acortar el tiempo de impregnación del aislamiento, se puede utilizar presión positiva (p. ej., 3atm~4atm).
La miscibilidad es una propiedad continua que se mezcla en todas las proporciones y forma una solución homogénea.
La solución de éster se puede mezclar al 100 % con aceite mineral en todas las proporciones y una pequeña cantidad de aceite mineral no afectará el rendimiento de la solución de éster. Una pequeña cantidad de aceite mineral no afectará el rendimiento del fluido de éster. Si hay más del 7 % de aceite mineral, el punto de ignición se reducirá por debajo de los 300 °C, que es el punto de ignición mínimo para el fluido aislante de Clase K.
El nuevo fluido de éster tiene una mayor pérdida dieléctrica en comparación con el aceite mineral. Los resultados de las pruebas de pérdida dieléctrica del transformador muestran que los fluidos de éster tienen una mayor pérdida dieléctrica que el aceite mineral en condiciones normales de funcionamiento.
Los fluidos de éster tienen moléculas ligeramente más polares en su composición química que los aceites minerales, lo que da como resultado mayores pérdidas dieléctricas que los aceites minerales.
Los líquidos de éster tienen una resistividad más baja que los aceites minerales normales. En la Tabla 11 se muestra una comparación de la resistencia de aislamiento de los dos transformadores, que muestra que la resistencia de aislamiento del aceite mineral es aproximadamente 10 veces mayor que la del fluido éster MIDEL7131.
Debido a la baja resistividad del fluido de éster, se generan más transferencia de carga y cargas electrostáticas más altas, y también se requiere circulación forzada de aceite para controlar la tasa de flujo de aceite para evitar el flujo de aceite cargado.
El gas perdido cromatográfico es el gas que se forma cuando el aceite aislante se calienta a temperaturas relativamente bajas (90°C~200°C). La Tabla 12 proporciona el análisis de aplicabilidad del fluido de éster y el aceite mineral en diferentes condiciones de falla. Cuando el fluido de éster está en un rango de temperatura relativamente bajo (80 ℃ ~ 250 ℃), volatilizará una gran cantidad de gases perdidos, como el etano y se generará gas hidrógeno si la temperatura del aceite alcanza los 55 ℃ o más.
La generación de gas perdido se puede observar durante un período de tiempo (semanas a meses) después de la operación del transformador. Al mismo nivel de voltaje, el fluido de éster genera más gases durante la descarga parcial que el aceite mineral. Estos están dominados por hidrógeno y etano, y se deben recopilar datos de cromatografía de aceite operativos posteriores.
El transformador de energía eólica marina requiere una confiabilidad extrema con limitaciones estrictas de tamaño y peso bruto, a diferencia de los transformadores de potencia estándar, y debe diseñarse para optimizar el rendimiento, especialmente la resonancia eléctrica y mecánica, al considerar la interacción de diferentes propiedades eléctricas, propiedades mecánicas y requisitos de materiales en condiciones de operación.
La evaluación de los fluidos de éster frente a los fluidos aislantes de aceite mineral existentes en términos de descargas eléctricas, descargas parciales, compatibilidad de materiales y rendimiento térmico también incluyó modificaciones clave en el diseño, la fabricación y la operación de prueba para garantizar un rendimiento excelente y una vida útil más larga.
Para reducir el riesgo de los activos y analizar las características clave en comparación, los sistemas de aislamiento de alta temperatura basados en éster son la opción preferida para los transformadores de energía eólica en alta mar.
El diseño general y el proceso del transformador de energía eólica marina de éster deben actualizarse, y deben mejorarse los estándares, como la operación y el mantenimiento.
Para reducir los costos de operación y mantenimiento, se recomienda instalar el transformador con algunos equipos de monitoreo en línea, como cromatografía de aceite, medición de temperatura de fibra óptica, sobrevoltaje transitorio y descarga parcial UHF.
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