风力发电低频输电用变压器的关键技术

风力发电低频输电用变压器的关键技术

王全跃

深能南京能源控股有限公司 江苏省南京市210000

摘要：海上风力发电具有风能稳定、运行效率高、不占土地、适宜大规模开发等优点，市场前景广阔。探索远距离、大容量的经济高效输电方式，是我国未来海上风电发展的关键。目前适合远距离输电的方式有三种，分别为工频高压交流输电、高压直流输电和分频输电。其中，分频输电方式兼备了其他两种输电方式的优点：相比高压交流输电方式传输损耗低；相比直流输电方式建设成本低，在80km～200km距离内输电更具经济性。然而分频输电改变了输电系统的关键参数-频率，会对输电系统中的变压器等设备的电磁和结构设计产生重大影响。

关键词：风力发电；低频；变压器

1 低频变压器特点

本文以频率50/3Hz为例，说明低频变压器特点和参数计算方法。50Hz变压器运行在频率为50/3Hz下时，根据感应电动势E1=4.44f·N1·Bm·S，变压器匝数N1和铁心截面S不变，可知当频率f由50Hz变为50/3Hz时，假定铁心不会饱和，变压器铁心中的最大工作磁密Bm将变成原来的3倍，但在实际运行过程中，铁心会严重饱和，会造成空载损耗和空载电流激增，铁心温升升高，严重的将会烧毁变压器。所以，在设计时需要增大铁心截面和匝数来解决。这样会造成铁心、绕组乃至变压器总体积和重量增加。

2 低频下硅钢材料性能及铁心设计

2.1 低频下硅钢材料性能测试

铁心是变压器的磁路，其材料磁性能直接影响变压器正常工作时的电气特性，进而影响变压器的性能，而表征铁心材料磁性能很重要的一项指标就是磁化特性。由于硅钢材料存在磁饱和现象，应使铁心最大工作磁密不超过饱和磁密，所以变压器设计时，应了解硅钢材料的磁化特性。另外，计算变压器空载电流和空载损耗时，还需硅钢材料的单位激磁功率和单位铁损。通常硅钢片厂家仅提供50Hz和60Hz常用频率下的磁化特性曲线、单位激磁功率曲线和单位铁损曲线，所以低频率下的磁化特性曲线、单位激磁功率曲线和单位铁损曲线需进行测试。

本文针对牌号23QG090硅钢片，采用爱泼斯坦方圈，测量频率50/3Hz下硅钢片磁化特性曲线、单位激磁功率曲线和单位铁损曲线，磁通密度从0.4T到1.92T，步进量为0.01T。

1）磁化特性曲线

将频率50/3Hz下的磁化特性曲线与频率50Hz下的进行对照，当磁密大于等于1.55T时，50/3Hz下对应的磁场强度与50Hz下的接近，同理磁导率也与50Hz下的接近。一般变压器工作磁密大于1.55T，所以频率对变压器铁心的导磁性能几乎无影响。

变压器设计时，通常以800A/m交变磁场（峰值）下，铁心所达到的最小磁极化强度B800作为设计饱和磁密。由此可得出频率50/3Hz下的饱和磁密与50Hz下的基本相同，为1.91T。

2）单位激磁功率和铁损曲线

以磁密为1.7T为例，50/3Hz与50Hz下的单位激磁功率比值为0.335/1.17=0.286,50/3Hz与50Hz下的单位铁损比值为0.193/0.878=0.220。由此可得，50/3Hz下的单位激磁功率是50Hz下的0.286倍，50/3Hz下的单位铁损是50Hz下的0.22倍。

根据试验数据可得出，50/3Hz下的单位激磁功率比50Hz下的要低，但目前没有数学模型可计算硅钢片的单位激磁功率，也无法确定其与频率的关系。所以低频率下的硅钢片单位激磁功率只能依靠测试获得。

硅钢片单位铁损由磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗三部分组成。其中磁滞损耗与频率成正比，经典涡流损耗与频率的平方成正比，而异常涡流损耗与频率关系不明确。另外硅钢片牌号不同，三部分占比也不同，50/3Hz下硅钢材料的单位铁损与50Hz下的比值也不是定值。所以，低频率下硅钢片单位铁损只能依靠测试获得。

2.2 低频下铁心设计

1）工作磁密确定

本文铁心设计的硅钢片材料牌号以23QG090为例，根据前述得其50/3Hz下饱和磁密为1.91T,GB 1094.1《电力变压器第1部分：总则》中规定应考虑10%的过励磁，即额定电压下的最大工作磁密Bm不应超过1.91/1.1=1.737T，与50Hz下基本相同。

2）励磁涌流分析

频率为50Hz变压器空载合闸时，存在磁通突变，引起励磁涌流。可将合闸瞬间的磁通分解为稳态分量和暂态分量，暂态分量的大小取决于合闸初相角α。当初相角α=90°时，cosα=0，暂态分量为零，立即进入稳态。而当α=0°时，cosα=1，暂态分量的幅值是最大的，此时合闸对变压器是最不利的，近似于稳态磁通幅值的2倍，产生的最大激磁涌流一般为额定电流的6倍～8倍。

频率为50/3Hz变压器空载合闸时，当α=0°时，cosα=1，由于频率降低，暂态分量的幅值已有所衰减下降。由此可见，50/3Hz变压器的激磁涌流小于50Hz变压器的激磁涌流。另外，由于低频下，变压器负载损耗一般偏大，即变压器的绕组直阻大，磁通暂态分量衰减加快，进一步有助于减小激磁涌流的幅值和衰减时间。

3）铁心装配结构设计

一般频率为50/3Hz变压器的体积和重量约为50Hz的2倍，铁心装配结构设计可参考变压器3倍容量的结构强度进行设计。

3 低频变压器主要性能参数计算

1）空载损耗

变压器空载损耗包括铁损和铜损。其中，铜损为变压器输入侧空载电流流过输入侧绕组时产生的铜损，而空载电流仅占额定电流的百分之零点几，产生的损耗可忽略不计。铁损分为硅钢材料本身产生的损耗和铁心加工导致增加的损耗。空载损耗计算时引入单位重量铁损和空载损耗附加系数。

2）空载电流

空载电流由有功分量和无功分量组成。有功分量电流为铁损电流，与铁心空载损耗相关。由于铁心空载损耗与频率相关，计算空载电流时应代入50/3Hz下空载损耗值。无功分量电流为磁化电流，用于建立铁心磁通，与铁心结构有关，计算时引入单位重量磁化容量和接缝处单位面积磁化容量两个参数。

3）负载损耗

变压器负载损耗分为直阻损耗、导线涡流损耗和结构件杂散损耗，其中直阻损耗与频率无关。

50/3Hz变压器相比50Hz变压器“矮胖”。即绕组电抗高度HK,50/3Hz下的要比50Hz下的低；油箱周长lt,50/3Hz下的要比50Hz下的长；高、低压绕组平均半径R1和R2,50/3Hz下的要比50Hz下的大。

50/3Hz变压器相比50Hz变压器，绕组匝数N增多。50/3Hz变压器的漏磁密Bm比50Hz变压器的要大，并且∑D也要大，所以，漏磁通ΦS也要增大。

4 低频下绝缘结构设计

变压器绝缘主要有变压器油和绝缘纸板，其通常采用薄纸筒小油隙结构，油隙中电场强度大于油隙允许场强时，绝缘纸筒将不再具备绝缘能力。

1）试品选择

以烷烃、环烷烃为主要成分的牌号为45号的变压器油作为试验用油。选用B.3.1型压纸板（见参考文献[1]），初始规格为Φ20mm×1.5mm，试验不同适当裁剪。

2）处理工艺

对变压器油进行滤油预处理，降低水分和杂质含量。对绝缘纸板进行烘干、真空浸油预处理。绝缘油与纸板按质量15:1配比。

3）测试

未投运变压器要求微水含量小于20μL/L。通常变压器试验是在常温条件下进行。所以，本文以变压器油微水含量20μL/L、温度25℃和绝缘纸板（浸油）含水量0.9%为条件，测试变压器油和绝缘纸板（浸油）的介电常数。

3）绝缘结构设计

由于50/3Hz下的频率对介电常数的影响可忽略，所以绝缘结构设计与50Hz下相同即可。

5 结论

1）频率降低对变压器铁心的影响最大，通过增加铁心截面积或/和绕组匝数确保铁心在1.1倍额定电压下，最大工作磁密不饱和，导致变压器体积和重量增加。考虑综合成本，可适当降低变压器效率。

2）当磁密大于1.55T（一般变压器磁通大于1.55T）时，50/3Hz下的磁导率与50Hz下的基本相同。所以，50/3Hz下铁心的饱和磁密与50Hz下的基本相同。

3)50/3Hz的变压器激磁涌流幅值和衰减时间都比50Hz下的要小。

4)50/3Hz下变压器油和绝缘纸板（浸油）的介电常数比50Hz下的略有上涨，但可忽略。频率50/3Hz的绝缘结构设计可参照50Hz下的进行。

参考文献

[1] GB/T 19264.1-2011,电气用压纸板和薄纸板第1部分：定义和一般要求[S].

[2] 程志光.电气工程电磁热场模拟与应用[M].北京:科学出版社,2009.

[3] GB/T 3655-2008,用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法[S].

[4] 张帆,魏彩霞,张淼,等.平衡绕组在有载调容变压器中的应用研究[J].变压器,2019,56(4):27-31.

[5] 金宝宁.浅谈频率对变压器运行性能的影响[J].科技创新导报,2012(14):82.