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风力发电低频输电用变压器的关键技术

更新时间:2023-07-07 16:04:38点击次数:1944次

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。陈飞等研究人员提出了低频率下变压器的特点及其关键技术。

研究人员根据频率对变压器的影响,提出了频率50/3Hz下变压器的特点和其性能参数的计算方法,并通过测试频率50/3Hz下硅钢材料的特征曲线,提出了铁心设计的思路。

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。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。


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,根据硅钢片的测试结果得出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。同时研究人员发现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,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。因此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。

同时研究人员还根据测试频率50/3Hz下绝缘材料的介电常数,提出了50/3Hz下的绝缘结构。研究人员认为:

(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。

——转载自《铁心世界》

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