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Con el fin de unificar los principios de diseño de los cables de alimentación de baja tensión del transformador para turbina eólica y el transformador montado en pedestal y formar un esquema de diseño estandarizado, el artículo compara y analiza las normas y reglamentos de diseño pertinentes, y propone el esquema de diseño y la base de cálculo para el tipo, la capacidad y la eficiencia energética del transformador de distribución, así como el material, el número y el área de la sección transversal del transformador montado en pedestal. El artículo compone y analiza las normas y códigos de diseño pertinentes, propone el esquema de diseño y la base de cálculo de selección para el tipo, la capacidad y la eficiencia energética del transformador de distribución, así como el material, el número de raíces y el área de la sección transversal del cable de alimentación de baja tensión del transformador montado en pedestal, verifica la razonabilidad y aplicabilidad del esquema de diseño estándar mediante ejemplos de ingeniería y, por último, propone las consideraciones para la selección del transformador para aerogenerador.
El transformador para aerogenerador, también denominado “transformador unitario”, se utiliza principalmente para aumentar la tensión de salida del aerogenerador, de modo que la energía generada por el aerogenerador pueda transmitirse a largas distancias a través de la línea de convergencia.
El transformador para aerogenerador tiene más soluciones de diseño, algunas de las cuales tienen en cuenta principalmente la economía, el factor de seguridad es bajo, y la calidad del equipo es preocupante; algunas soluciones de diseño tienen altos requisitos de fiabilidad, y sólo persiguen más margen, lo que aumenta la inversión única del equipo. Estos problemas son especialmente destacados en el diseño y la selección de transformadores para aerogeneradores y cables de alimentación de baja tensión del lado del transformador montado en pedestal. Con el fin de garantizar el funcionamiento seguro y estable de la subestación montada en pedestal, y al mismo tiempo para ser económico y razonable, es necesario formar un diseño estándar más adecuado de acuerdo con la normativa y las condiciones reales de trabajo en la etapa de esquema.
En este artículo, comparamos y estudiamos el diseño y la selección de cables de alimentación de baja tensión para la subestación montada sobre pedestal y el transformador montado sobre pedestal, y proponemos una solución de diseño estándar.
En la actualidad, los principales tipos de transformador para un aerogenerador son el transformador europeo de caja variable y el transformador chino de caja, y también hay casos de transformador de pedestal para aerogeneradores de menor potencia. Las principales diferencias entre los tres figuran en la Tabla 1.
Artículo | Caja europea variable | transformador en pedestal | transformador chino tipo caja |
Vaciado y repostaje durante el mantenimiento | No es necesario | obligatorio | No es necesario |
Interrupciones del sistema durante el mantenimiento | obligatorio | No es necesario | No es necesario |
Efectos de las altas temperaturas en la generación de energía | sí | sí | No |
Contaminación del aceite por la acción del interruptor | No | sí | No |
Reducción de la generación de energía durante las interrupciones del sistema | sí | No | No |
Riesgos de seguridad por funcionamiento incorrecto | sí | No | No |
Refrigeración por ventilador de un transformador de pedestal | obligatorio | No es necesario | No es necesario |
Protección térmica de la carcasa | sí | No | sí |
Efectos meteorológicos del mantenimiento operativo | No | sí | No |
utilizar transformador de tipo seco | sí | No | No |
Inversiones económicas | Alta | relativamente bajo | Moderado |
La variable de caja europea está equipada con disyuntores de alta tensión, con mejor rendimiento global, pero con mayor inversión y mayor tamaño, adecuada para proyectos con un entorno duro, altos requisitos de aspecto, protección medioambiental y protección contra incendios; el transformador montado en pedestal está menos equipado, con peor rendimiento global, pero con la menor inversión y el menor tamaño. Los primeros transformadores para aerogeneradores utilizaban principalmente el tipo de transformador de montaje en pedestal; el transformador inglés de tipo caja está equipado con disyuntores de alta tensión, tiene un mejor rendimiento general, una inversión moderada, un tamaño moderado y presenta ventajas evidentes en términos de tecnología y economía, y es actualmente la opción preferida para los aerogeneradores. El transformador tipo caja chino está equipado con un disyuntor de alta tensión, que tiene un excelente rendimiento general.
La capacidad del transformador montado en pedestal se seleccionará en función de la potencia aparente nominal del aerogenerador. El aerogenerador debe cumplir el factor de potencia ajustable dinámicamente en el intervalo de 0,95 a 0,95 de retraso.
La capacidad nominal del transformador montado en pedestal puede calcularse de la siguiente manera:
Donde: S es la capacidad del transformador de pedestal, kVA; P es la potencia activa nominal del aerogenerador, kW; cosφ es el factor de potencia.
Los conductores de los cables pueden ser de cobre, aluminio o aleación de aluminio; los conductores de aleación de aluminio no son adecuados para cables de clase de tensión 1 kV o superior.
Las principales diferencias entre los conductores de cobre, aluminio y aleación de aluminio se indican en la tabla 4.
Artículo | Conductor de cobre | Conductores de aluminio | Aluminium |
Propiedades físicas | mejor | General | más grande |
Propiedades mecánicas | mejor | General | más grande |
Capacidad de carga | Más grande | General | Feria |
Caída de tensión | inferior | General | Feria |
Fiabilidad | superior | General | Feria |
Densidad | más grande | Feria | Baja |
Peso | más pesado | Más ligero | Más ligero |
Instalación de ingeniería | encendedor | Lighter | Feria |
Precio | superior | Baja | Moderado |
Se puede observar que, aunque el conductor de aluminio no mejora su conductividad, sus propiedades físicas y mecánicas, como la flexión, la resistencia a la fluencia y la resistencia a la corrosión, han mejorado mucho. En comparación con los conductores de cobre, los conductores de aluminio presentan ciertas ventajas en términos de peso, precio e instalación técnica. El conductor de cobre sigue teniendo ventajas evidentes en cuanto a capacidad de transporte de corriente, caída de tensión y fiabilidad, y hay margen para utilizar los tres en distintos escenarios.
Para conseguir una vida útil razonable de los conductores y del aislamiento del cable en condiciones normales de funcionamiento, condicionadas por los efectos térmicos generados durante la duración de la corriente, la capacidad de carga admisible de los conductores debe corregirse en función del modo de tendido del cable y de la temperatura ambiente en el lugar donde se tiende.
Para la sección transversal del conductor de puesta a tierra de protección PE y del conductor de puesta a tierra de protección PEN con punto neutro, se aplicará lo siguiente:
1)Deberá ser capaz de cumplir las condiciones de corte automático de la instalación eléctrica por protección de contacto indirecto y de soportar la corriente de defecto a tierra o de cortocircuito prevista.
2) La sección transversal mínima de las líneas PE y PEN se calibrará para la estabilidad térmica a través de las corrientes de defecto a tierra, y los resultados calculados se llevarán a la sección transversal superior adyacente si no es la sección transversal habitual.
Un gran parque eólico en una base eólica, situada en la llanura del Gobi, está diseñado para la instalación de 23 aerogeneradores de 4 500 kW con una tensión de salida de 1,14 kV.
1) Transformador para aerogenerador: por lo general, se utiliza un transformador de pedestal (transformador de pedestal sumergido en aceite).
2) Potencia nominal del transformador de pedestal: La potencia nominal del transformador de pedestal es de 5 000 kVA, es decir, 1,1 veces la potencia activa nominal del aerogenerador.
3) Clase de eficiencia energética del transformador de pedestal: pérdidas en vacío no superiores a 4,64 kW, pérdidas en carga no superiores a 34,2 kW.
4) Material del cable de alimentación en el lado de baja tensión del transformador montado en pedestal: desde el punto de vista de la reducción de la inversión y teniendo en cuenta las propiedades físicas y mecánicas necesarias, se eligió un cable de alimentación de aleación de aluminio fabricado a medida.
5) Número de cables de potencia en el lado de baja tensión del transformador de pedestal: se seleccionan 10 cables de aluminio (sección del conductor 300 mm2) en función de la capacidad de carga nominal de los conductores de aluminio.
6)Calibración de la sección transversal del conductor de protección: según la experiencia convencional, la sección transversal mínima del conductor de protección suele ser de 240 mm2 para cumplir los requisitos.
1) Transformador tipo pedestal: de acuerdo con las necesidades reales del escenario de construcción, se reduce el área de adquisición de terreno de la subestación montada en pedestal, la subestación montada en pedestal se dispone sobre la plataforma de apoyo de los cimientos del aerogenerador, y se establece un cortafuegos entre la subestación montada en pedestal y el aerogenerador. Cortafuegos entre la subestación y el aerogenerador.
2) Capacidad nominal del transformador montado en la plataforma: De acuerdo con la potencia activa nominal y el factor de potencia del aerogenerador, la capacidad calculada de la subestación montada sobre pedestal puede obtenerse como sigue:
La capacidad nominal del transformador de pedestal es de 4 800 kVA.
3) Clase de eficiencia energética del transformador de pedestal: de acuerdo con la clase de eficiencia energética recomendada para el transformador de pedestal trifásico de doble devanado no excitado de 35 kV, sumergido en aceite y de tensión regulada, se puede obtener lo siguiente por interpolación: la pérdida en vacío (clase III) no supera los 3,38 kW y la pérdida en carga (clase III) no supera los 28,94 kW.
4) Material del cable de alimentación en el lado de baja tensión del transformador montado en pedestal: dado que la tensión de salida del aerogenerador supera 1 kV, no se recomiendan los cables de aleación de aluminio; teniendo en cuenta las necesidades reales y los hábitos de uso de la unidad de construcción, se opta finalmente por cables de alimentación con núcleo de cobre.
5) El número de cables de alimentación en el lado de baja tensión del transformador montado en pedestal: de acuerdo con la capacidad de carga nominal del cable con núcleo de cobre, se seleccionó razonablemente un factor de corrección global y se calculó que el número de cables de alimentación en el lado de baja tensión del transformador montado en pedestal era de 10 (sección transversal del conductor 240 mm2) o 9 (sección transversal del conductor 300 mm2). La elección final para el proyecto fue de 10 cables con núcleo de cobre de 240 mm2.
6) Calibración de la sección transversal del conductor de protección: De acuerdo con los datos de diseño del sistema de acceso, se calcula que cuando se produce un cortocircuito monofásico en la salida del aerogenerador, la corriente de defecto a tierra en el lado de baja tensión del transformador montado en la plataforma es de 23,08 kA. El tiempo que tarda el aparato de protección en cortar automáticamente la corriente de defecto suele ser de 0,2 s, según el disyuntor de baja velocidad.
El coeficiente de estabilidad térmica del material del cable de puesta a tierra se toma como 143. Se calcula que 72,18 mm2 es la sección transversal mínima del conductor de protección, y finalmente se utiliza en el proyecto 1 hilo neutro de 120 mm2.
A partir de la comparación de las dos opciones anteriores, es fácil ver que la opción de diseño estándar tiene las siguientes ventajas sobre la opción de diseño convencional:
1) Determinación flexible del tipo de transformador montado en pedestal en función de las necesidades reales. La subestación montada en pedestal puede disponerse dentro o fuera de la plataforma de rodamiento del aerogenerador y, en caso de que la distancia de fuego sea insuficiente, pueden instalarse cortafuegos adicionales.
2) Al reducir razonablemente la capacidad del transformador de pedestal, se minimiza la inversión en éste, con un ahorro de alrededor del 5%.
3) Mediante el control de la eficiencia energética del transformador de pedestal, se garantiza el funcionamiento económico del transformador de pedestal y se reducen en gran medida los costes de funcionamiento del transformador de pedestal, con una reducción de las pérdidas en vacío de aproximadamente el 27% y de las pérdidas en carga de aproximadamente el 15%.
4) Mediante la comparación técnica y económica de los cables eléctricos de baja tensión, se minimiza la sección transversal del cable para garantizar que se cumplen las condiciones de transmisión de energía, lo que suele reducir el coste en aproximadamente un 10% (40% en el caso de los cables de aluminio).
Con la promoción y aplicación de aerogeneradores de gran capacidad, también aumentan los requisitos de los parámetros y el nivel de fabricación del transformador para aerogenerador, combinados con el escenario real y las condiciones de trabajo de acuerdo con el esquema de diseño estándar, los parámetros del aerogenerador, la disposición de la subestación montada sobre pedestal y la selección del coste del equipo, con el fin de garantizar la economía y la fiabilidad del esquema de diseño. y la fiabilidad.
A la hora de diseñar y seleccionar transformadores elevadores para aerogeneradores, también deben tenerse en cuenta las siguientes cuestiones:
1) Es aconsejable supervisar la fabricación del equipo para garantizar el control de la calidad del producto a lo largo de todo el proceso.
2) El conductor de protección tiene que pasar por una corriente desequilibrada de secuencia cero, que genera corrientes parásitas en el material metálico de la capa de blindaje. El efecto de las corrientes parásitas acelerará el envejecimiento de la capa de aislamiento del cable mediante el calentamiento del material metálico, lo que provocará accidentes por rotura del cable en caso de funcionamiento prolongado.
3) En los últimos años, el precio de los cables conductores de cobre ha aumentado, ya que el precio del cobre en el mercado no ha dejado de subir. En los proyectos de nueva construcción, se puede considerar la utilización de cables conductores de aluminio o de aleación de aluminio para los cables de conexión de los transformadores montados en pedestal.
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