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摘 要 组合式变压器又叫做美式箱变，是一种将开关设备、变压器器身、熔断器、开关设备、辅助设备、分接开关等组合到一起的变压器。风力作为一种清洁能源，通过将风力发电中应用组合式变压器可以显著提高发电质量和发电效率，因此本文重点对海上风电变压器的特点和要求进行了分析，然后对海上风力变压器的设计要点进行了探讨，以降低系统故障，保证海上风电变压器的可靠性。
【关键词】风电组合 变压器优化 结构设计
随着环境污染问题日益严峻，可用能源日益减少，人们对风力发电的重视度不断提升。海上风场风力资源具有风速大、密度高、资源多、风力稳定等优点，而且在海上建设风电场并不会占用耕地，风电机组的吊装和运输也比较方便，但是由于海上环境存在霉菌、盐雾、湿热等情况，会影响风电机组的使用年限。变压器作为风电机组的重要部分，由于體积比较大，更换比较困难，底架、铁心、绕组等都很容易生锈腐蚀，所以在进行海上风电机组设计过程中需要重点进行研究，并作出合理的设计。
1 风力发电体系的类别和基本特点
风力发电的基本原理是将风能转化为机械能之后再转变为电能的基本过程，而风力发电系统的基本特点如下：
（1）独立运行的风电体系主要划分为充电型和动力型两种，其主要适用于机组容量比较小的情况。
（2）并网运行的基本方式是借助同步发电机或者异步发电机作为动力和电网并联运行。经过并网之后电压和频率完全取决于电网。在电网无穷大时将会产生极强的牵制力，自身也会产生巨大的能量吞吐能力。对于并网之后的风力发电机来说，其输出电能的大小将直接由风力大小决定。该种运行方式要求风力发电机必须得到并网和解列控制，而并网的前提条件则是风力发电机和电网的频率完全一致。
在风力发电机因为风速过小而不能输出电能时便会从电网解列。对于风力发电混合能源体系来说，其主要由两种及以上能源共同组成供电体系，其又被称之为混合能源系统。在该体系中应包含至少一种稳定能源，只有这样才能够有效保证系统供电的连续性和稳定性。
2 海上风电机组变压器建设的基本要求
海上风电机组专用变压器的基本作用是将风电机组所产生的低压电能经过升压转变为10kV或者35kV的高压电后通过海底电缆将其输送到风电场升压站。对于海上风电机组来说，出于成本考虑的原因，其极少将变压器放置于塔筒10m之外，其常见的处理方式是将变压器放置于塔筒内部或者机舱中予以综合，而海上风电变压器的技术特点主要有以下几点：
（1）自身的发热量较小。因为风力发电自身具有极为显著的季节性，变压器的空载时间过长，年负载率平均只有30%，因此应当将空载所产生的损耗降到最低；与此同时由于变压器处于塔筒内部或者机舱中，不利于散热，其在带负载状态下工作的效率应当更高。
（2）自身的耐候性必须更强，具有较强的抗风化腐蚀作用。在风力资源极为丰富的海上和沿海地区，盐雾和霉菌以及湿热等恶劣的气候环境会对变压器造成致命性的损伤。此外在没有吊装时发电机可能长时间放置于野外受到暴晒和腐蚀等作用，该种现象极有可能使得变压器在使用之前就受到较大损伤。
（3）要求变压器重量较轻，体积较小，自身的机械强度必须更高，外形美观，方便吊装。因为变压器所放置的塔筒和机舱空间较为狭小并且具有较强的不规则性，与此同时必须充分考虑电气安全间隙和机组的单位容量重量等多种因素，因此对于变压器在设计和制造过程中的体积和外形以及重量都提出了更高的要求。海上风机必须讲过长距离和不同方式的运输以及吊装，其整体过程极为艰难，在此过程中必然会受到振动和桩基，因此要求变压器自身具有极强的机械强度。
（4）对于变压器技术的要求。因为海上风电机组自身受到交通和周围环境的限制，在日常维护和检修过程中都必须花费大量的人力和物力，整体投入成本较大，在维护过程中每次都会造成机组长时间停运，对风电机组的使用率造成了极为显著的影响。基于此必须通过安全、实用、经济的角度进行产品设计，要求负荷开关和变压器两者采取分箱结构，箱体体积应当按照需求进行设计，尽可能降低整体尺寸，实现箱体的密封性和美观性。高压电缆接线应当采用一进一出的基本设计，变压器散热片自身应当包含防碰撞保护，变压器不能出现渗漏油的现象。其基本原理如图1所示。
3 对于海上风电机组变压器的说明
3.1 变压器冷却的基本方式
根据变压器冷却方式存在的差别，可以将其划分为油浸式变压器和干式变压器及气体变压器多种新式。其中油浸式变压器自身具有体积小和耐压等级高以及散热性能较好等特点，但是其自身存在较为严重的漏油现象，在产生故障时极有可能出现喷油和燃烧的可能，对于环境污染较为严重，在塔筒或者机舱中使用时极为危险，此外其自身还具有难以维护和重量过大的缺陷，因此不适合在海上风电机组中使用；对于干式变压器来说，其自身具有安全、干净、耐阻燃、容易维护以及抗短路能力强等多种性质，但是因为体积较大，耐压等级较低以及在户外安装较为艰难等缺陷，但是其相对于油浸式变压器更适合海上风电机组的安装。对于气体变压器来说，其通常会使用SF6作为冷却和绝缘介质，其中SF6气体具有无毒无味不燃烧的优势，其自身结构和油浸式变压器基本相同，在具有油浸式变压器优势的同时有效克服了其缺陷，使得日常维护更加容易，对于环境所产生的污染较小，容易将散热器和变压器分开布置，因此该种变压器也适合于海上风电机组的安装。
3.2 防止渗漏油的基本方式
组合式变压器出现渗漏油的根本原因主要包括以下几点：一是运输和安装过程中振动和变压器运行过程中油温变化以及正常运行状态下箱体受外力影响造成的。二是产品自身原因，因为存在散热片结构形式和材质以及焊接质量、套管以及密封件老化等多种问题。在实际运行过程中变压器内部油箱会存在一定压力，而该压力会随着变压器运行情况不断变化，倘若油箱钢板强度不能满足需求，经过长期运行便会在内部压力变化的直接影响下出现微孔，继而出现渗漏油现象。此外倘若套管自身存在一定的质量缺陷，在内部压力不断变化的长期影响下，会出现裂缝，进而出现渗漏油现象。
3.3 防止盐雾腐蚀的基本方式
对于海上风电集电变压器来说必须加强防腐作用，基于此必须对箱体进行必须的特殊工艺处理。借助酸性物质全面去除杂质和氧化物后喷涂一层专用的环氧富锌防腐底漆，之后将其放入烘房之中再进行氟碳面漆的喷涂，最终将其放入烘房中进行烘烤促使表面固化。根据上述生产要求，所生產形成的箱体经过模拟实验完全可以满足海上风电机组安装的基本要求。此外为了有效避免盐雾腐蚀前室中的配件，应当将前室设计成为全封闭结构，取消常规设计过程中存在的百叶窗等结构，并在密封面上增加橡胶对其进行完全密封。
3.4 对于散热片的保护措施
风电集电变压器的箱体可以划分为三个部分，即散热器、油箱以及前室。其中最为薄弱的便是散热器。风力机电变压器的使用场所通常为沿海地区的野外，周围常常会有农民出入。为了有效避免人为破坏，必须对散热器进行必要的保护。防护罩主要使用34511钢板围住散热器五个面，该种方式不但能够满足防碰撞的基本要求，也能够确保自身散热。箱体和防护罩的简图如图2所示。
3.5 对于负荷开关分箱的结构设计
针对风电集电变压器的实际使用环境和条件，负荷开关和变压器应当采取分箱结构进行时设计。一是风电集电变压器出线到主变线路上，只有风电集电变压器内部的负荷开关产生断开开关的基本作用，相对于普通组合式变压器，该负荷开关操作的基本频率应当提升；二是风电集电变压器内部负荷开关在实际操作过程中会产生电弧，继而引起绝缘油老化和积碳等多种问题，对电压器和开关自身的绝缘性产生较大影响。因此在负荷开关设计过程中应当增加一个小油箱，并采取与变压器主油箱完全隔离的方式，保证变压器的实际使用寿命。
4 结束语
综上所述，海上风电变压器由于运行环境恶劣，导致变压器的机组故障率非常高。一旦变压器出现故障不仅维修困难，而且维修成本很高，为了降低故障需要科学进行设计，采取相应的保护措施，科学的选择材料，以保证风电场的稳定运行。
参考文献
[1]蔡言斌.风电大规模并网后地区电网无功电压优化[D].济南：山东大学，2014.
[2]刘伟.风电场集群优化调度研究[D].北京：北京交通大学，2011.
作者简介
黄成（1963-），男，广东省雷州市人。大学本科学历。现为湛江高压电器有限公司工程师。研究方向为变压器设计方面。
作者单位
湛江高压电器有限公司 广东省湛江市 524000