Основные электрические и экологические характеристики трансформаторов для ветровых турбин

Высоковольтный трансформатор для ветровых турбин следует выбирать с учетом электрических нагрузок и условий эксплуатации на площадке, которым он фактически будет подвергаться, а не только по номинальному напряжению и номинальной мощности в кВА. Трансформатор турбины работает при переменной генерации, повторяющихся тепловых циклах, коммутационных воздействиях, гармониках от силового электронного оборудования, ограниченном доступе для обслуживания, а во многих местах — при наличии соли, влаги, пыли или низких температур окружающей среды. Номинальные параметры должны описывать полный диапазон условий эксплуатации: продолжительный режим работы, временные перенапряжения, электрическую прочность изоляции, запас по охлаждению, герметичность корпуса и механическое состояние установки.

Для турбины, подключенной к сети, технически приемлемый набор номинальных параметров также должен соответствовать коллекторной системе, кабельной сети, схеме заземления, настройкам защиты и требованиям к подключению энергосистемы. Несоответствие на любом из этих интерфейсов может привести к тому, что трансформатор будет правильно подобран на бумаге, но при этом останется подверженным нагрузкам на изоляцию, перегреву, ложным срабатываниям защиты или ускоренной коррозии.

Номинальное напряжение следует рассматривать вместе с диапазоном напряжения системы

Номинальные значения высокого и низкого напряжения определяют коэффициент трансформации, но не полностью описывают режим по напряжению. В спецификации должны быть указаны номинальное напряжение системы, допустимый рабочий диапазон, частота и то, будет ли трансформатор получать питание от коллекторной цепи с частыми изменениями напряжения. Коллекторные фидеры ветропарка могут длительное время работать вблизи верхней границы диапазона напряжения, особенно когда управление реактивной мощностью и зарядный ток кабелей влияют на местное напряжение.

Поэтому диапазон ответвлений и положение ответвления являются функциональными номинальными параметрами, а не второстепенными деталями. Трансформатор с подходящим фиксированным коэффициентом трансформации все же может создавать неприемлемый режим на шинах низкого напряжения, если ожидаемое напряжение сети отличается от принятого номинального значения. Необходимо подтвердить, требуются ли переключения ответвлений без возбуждения или под нагрузкой, как обозначается выбранное ответвление и какое ответвление используется для стандартных испытательных значений. Заявленные значения сопротивления, потерь и коэффициента трансформации должны быть привязаны к указанному основному ответвлению.

Частота требует такого же внимания. Магнитный поток в сердечнике возрастает, когда напряжение подается при частоте ниже расчетной, поэтому трансформатор, предназначенный для системы 50 Hz, нельзя считать автоматически взаимозаменяемым с оборудованием для применения 60 Hz при том же напряжении. Если при пусконаладочных испытаниях используются временные источники питания, соотношение их напряжения и частоты должно оставаться в допустимых для трансформатора пределах.

Параметры изоляции: разделяйте различные виды выдерживаемых воздействий

Координация изоляции часто оказывается недостаточной, когда в спецификации указывается только класс напряжения. Трансформатор должен выдерживать несколько различных воздействий, каждое из которых имеет свое происхождение и цель испытания:

• Выдерживаемое напряжение промышленной частоты характеризует работу изоляции при кратковременном воздействии переменного напряжения и относится к внутренним воздушным зазорам, изоляции обмоток, вводам и подключенным концевым кабельным заделкам.
• Выдерживаемое грозовое импульсное напряжение характеризует устойчивость к крутофронтовым перенапряжениям, которые могут поступать от воздушных соединений, открытого распределительного оборудования или грозовой активности вокруг турбины и коллекторной сети.
• Коммутационные и временные перенапряжения требуют внимания там, где вакуумная коммутация, включение кабелей, конденсаторные батареи или замыкания на землю создают воздействия с менее крутым фронтом, но большей продолжительностью.

Эти значения должны соответствовать фактическому наибольшему напряжению системы и координации изоляции установки. Повышение номинального класса напряжения трансформатора без проверки ограничителей перенапряжений, кабельной арматуры, разъемных соединителей и зазоров не решает проблему координации. И наоборот, высокий импульсный уровень может быть нивелирован неправильно выбранным или плохо заземленным ограничителем перенапряжений, установленным слишком далеко от защищаемого вывода.

Выбор вводов требует такой же дисциплины. Длина пути утечки, устойчивость к загрязнению, механическая нагрузка, конструкция соединителей и проход через корпус являются отдельными факторами помимо номинального напряжения ввода. На прибрежной площадке проводящие солевые отложения могут превратить внешнюю поверхность, кажущуюся сухой, в путь утечки. При установке в основании башни ограниченная прокладка кабелей может создавать боковые или вибрационные нагрузки на оконцевания, не предусмотренные конструкцией.

Стойкость к короткому замыканию является электромеханическим требованием

Сопротивление трансформатора влияет на ток короткого замыкания, регулирование напряжения и координацию с вышестоящими и нижестоящими защитными устройствами. Его не следует выбирать лишь по привычному процентному значению. Более низкое сопротивление может улучшить поддержание напряжения, но увеличивает доступный ток короткого замыкания. Более высокое сопротивление снижает аварийную нагрузку, но может вызвать недопустимое падение напряжения при работе вспомогательного оборудования турбины, преобразователя или восстановлении после броска тока.

Трансформатор также должен выдерживать тепловые и механические воздействия ожидаемого тока короткого замыкания в течение применимого времени отключения. Электрическая сила, действующая на обмотки, резко возрастает с увеличением тока. Повторные сквозные короткие замыкания, даже при корректном срабатывании защиты, могут ослабить стяжку обмоток, сместить проводники или повредить выводы. Испытание изоляции после аварии все еще может дать положительный результат, хотя механическое смещение уже снизило запас устойчивости к последующему событию.

Проверка аварийной нагрузки должна учитывать вклад энергосистемы, параллельных фидеров, при необходимости конденсаторных батарей, а также фактическое время срабатывания реле и выключателей. Номинальная отключающая способность защитного устройства сама по себе не доказывает, что трансформатор обладает достаточной стойкостью к короткому замыканию. Требуемым подтверждением является согласованное описание доступного тока короткого замыкания, длительности отключения, сопротивления трансформатора и подтвержденной конструкции, рассчитанной на выдерживание воздействия.

Тепловые номинальные параметры требуют учета температуры окружающей среды и условий охлаждения

Номинальная мощность действительна только при заявленном способе охлаждения и эталонных условиях окружающей среды. Наружные трансформаторы ветровых турбин могут подвергаться прямому солнечному нагреву, слабой естественной вентиляции, рециркуляции воздуха внутри компактного корпуса, перекрытию радиаторов и широким сезонным изменениям температуры. Масляный трансформатор с охлаждением ONAN зависит от беспрепятственного движения воздуха вокруг радиаторов; номинально наружное расположение не гарантирует достаточный отвод тепла при установке близко к стенам, кабельным траншеям или другому оборудованию.

Пределы превышения температуры следует рассматривать вместе с тепловым классом изоляции, допустимой температурой наиболее нагретой точки обмотки, индикацией температуры масла и настройками сигнализации или отключения. Низкая средняя температура масла не обязательно доказывает, что температура наиболее нагретых точек обмотки контролируется при колеблющейся нагрузке. Выработка ветроэнергии может быстро изменяться, а повторяющиеся изменения нагрузки создают тепловой режим, отличный от режима постоянной промышленной нагрузки.

Эффективность охлаждения также зависит от состояния обслуживания. Ребра, загрязненные пылью, солевыми отложениями, растительностью или маслянистым налетом, теряют эффективность теплоотдачи. Клапаны радиаторов, оставленные частично закрытыми после транспортировки или обслуживания, создают неисправность, которая может быть незаметна при кратковременном осмотре без нагрузки. В приемочной документации должны быть указаны схема охлаждения, режим работы вентиляторов или насосов при их наличии, расположение температурных датчиков и логика связи сигнализации с защитой турбины или фидера.

Потери, гармоники и значение продолжительного режима работы

Потери холостого хода присутствуют всегда, когда трансформатор находится под напряжением, что важно для ветроэнергетических установок, остающихся подключенными в периоды низкой генерации. Потери нагрузки изменяются с током и дополнительно возрастают, когда гармонический ток увеличивает эффективные потери в проводниках и добавочные потери в обмотках, зажимах, стенках бака и выводах. График потерь, указанный только для синусоидального номинального тока, является неполным, если преобразовательное оборудование создает существенное содержание гармоник.

Оценка гармоник должна определять ожидаемый спектр тока, профиль нагрузки и то, была ли конструкция трансформатора оценена на дополнительный нагрев от вихревых токов. Гармоники не эквивалентны простой нагрузке в кВА. Два агрегата с одинаковым действующим значением тока могут испытывать различный локальный нагрев при разном содержании гармоник. Нагрузка нейтрали и поведение токов нулевой последовательности также важны, когда соединение обмоток и вспомогательные нагрузки допускают циркуляцию токов гармоник, кратных трем.

Выбор материала сердечника влияет на потери холостого хода и акустические характеристики, но не устраняет необходимость проверки параметров изоляции, тепловых и экологических характеристик. Для задач распределения возобновляемой энергии в пределах заявленного диапазона трансформатор SBH15 с сердечником из аморфного сплава иллюстрирует это различие: сердечник из аморфного сплава связан со снижением потерь холостого хода, однако установленному агрегату по-прежнему требуются соответствующие параметры напряжения, группы соединения, ответвлений, охлаждения, наружной защиты и стойкости к короткому замыканию для цепи ветропарка.

Группа соединения и заземление влияют на работу защиты

Группа соединения определяет сдвиг фаз и то, как токи нулевой последовательности и некоторые гармоники передаются или удерживаются. Она должна соответствовать принципам заземления коллекторной системы и схеме защиты, особенно когда несколько трансформаторов турбин работают параллельно или питают общую шину среднего напряжения. Соединение, которое кажется эквивалентным для преобразования напряжения, может вести себя совершенно иначе при замыкании на землю.

Проверьте схему нейтрали с обеих сторон трансформатора. Подтвердите, выведена ли нейтраль, глухо заземлена, заземлена через сопротивление или изолирована конфигурацией обмоток. От этого зависят настройки реле защиты от замыканий на землю, соединение экранов кабелей, защита от перенапряжений и контроль напряжения прикосновения. На чертеже трансформатора должны быть четко показаны обозначения выводов, векторная группа, доступность нейтрали и предусмотренное подключение заземления. Неоднозначная маркировка выводов становится особенно опасной при замене оборудования или поэтапном расширении.

Наружная защита — это система номинальных параметров, а не спецификация окраски

Пригодность к условиям окружающей среды начинается с корпуса и степени защиты от проникновения, но распространяется на каждый открытый интерфейс. Требуемый уровень защиты зависит от того, установлен ли агрегат в гондоле, в основании башни, в киосковой подстанции, в компактной подстанции или на открытой наружной площадке. Герметичный корпус, ограничивающий попадание воды, также может удерживать тепло или конденсат, если дренаж, дыхательная система и вентиляция организованы неправильно.

Для маслонаполненных трансформаторов следует совместно оценивать герметизацию бака, оборудование сброса давления, индикацию уровня жидкости, защиту от коррозии, совместимость прокладок и конструкцию кабельных вводов. Колебания температуры могут втягивать влажный воздух в недостаточно защищенные дыхательные системы. Вода, проникающая через поврежденный кабельный ввод или плохо герметизированную крышку для осмотра, может сначала повлиять на контрольную проводку и изоляцию выводов, прежде чем вызвать видимое загрязнение масла.

Воздух с содержанием соли требует особого внимания к внешним поверхностям изоляции, крепежным элементам, покрытиям радиаторов, шкафам зажимов и заземляющим соединениям. Внутренняя пыль создает иную картину: она может накапливаться на охлаждающих поверхностях и внутри вентилируемых отсеков, тогда как мелкая проводящая пыль способна нарушать изоляционные зазоры выводов. В холодных регионах минимальный номинал температуры окружающей среды должен учитывать вязкость масла, поведение прокладок, реакцию приборов и способность защитных механизмов работать без заклинивания.

Механические условия часто проявляются после монтажа

Условия транспортировки и монтажа могут сделать недействительными в остальном корректные номинальные параметры. Для крупных агрегатов документация по поставке должна включать регистраторы ударных воздействий, инструкции по подъему, маркировку центра тяжести и требования к моменту затяжки. Вводы, радиаторы, расширители и кабельные коробки могут поставляться отдельно; окончательная сборка должна сохранять зазоры, сжатие прокладок и герметичность масляных соединений.

Вибрация заслуживает особого рассмотрения в условиях ветровых турбин. Вибрация трансформатора может возникать из-за магнитострикции сердечника, однако вибрация, передаваемая от расположенного рядом оборудования, структурного резонанса или ослабленного крепежа, имеет другую причину и требует иных корректирующих действий. Низкий уровень шума не доказывает надежности механической опоры. Проверьте крепление основания, гибкие соединения при необходимости, поддержку кабелей и отсутствие жестких трубопроводов, передающих чрезмерные перемещения на вводы или шкафы управления.

Документальное подтверждение приемки

Полезный комплект приемочной документации связывает номинальные данные на табличке с прослеживаемой испытательной и конструкторской информацией. В нем должны быть указаны серийный номер, коэффициент трансформации и диапазон ответвлений, группа соединения, номинальная мощность при заявленном режиме охлаждения, сопротивление, уровни изоляции, схема выводов, общая масса и объем жидкости, где это применимо, а также меры защиты от воздействия окружающей среды. Протоколы приемо-сдаточных испытаний должны соответствовать фактически заказанной конфигурации, а не типовому документу для семейства изделий.

Перед подачей напряжения подтвердите фазовые соотношения, положение ответвления, непрерывность заземления, состояние изоляции, баланс сопротивлений обмоток, проводку защитных устройств, состояние масла, где это применимо, и момент затяжки доступных электрических соединений. Значения следует сравнивать с заводскими записями и корректировать по температуре, когда этого требует метод испытания. Расхождение более полезно, если оно зафиксировано вместе с условиями испытания, а не сведено к простому заключению «годен» или «не годен».

Окончательное решение по номинальным параметрам является наиболее обоснованным, когда электрические пределы и условия площадки рассматриваются как единый комплекс условий. Класс напряжения, импульсная прочность, сопротивление, тепловые характеристики, защита корпуса, коррозионная стойкость и геометрия монтажа описывают одну и ту же эксплуатационную реальность: длительное и безопасное преобразование энергии при переменном цикле генерации ветровой энергии.