风电双分裂变压器半穿越状态下的绕组热点研究与优化

2021-08-20周启峰

机电工程技术 2021年11期

摘要：通过运用 Magnet和 ANSYS Fluent仿真软件对 SCSFB11-7400/35风电干式双分裂变压器在半穿越状态下的漏磁场分布、绕组负载损耗和温度场进行仿真和优化，同时通过温升试验验证仿真结果的准确性，最终确定绕组最热点的位置和大小。研究的前提条件主要包括变压器的型号和参数、运行模式、最热点限制、换热器功率、冷却液温和冷却风量要求等方面。研究发现，双分裂变压器在半穿越状态下的最热点温度在低压下绕组的上部、辐向绕组厚度约2/3（由内往外）处，以及可以适当调整低压导电箔材厚度或/和低压绕组的匝数分布来解决半穿越状态下低压绕组电流分配不均所造成的损耗集中问题，从而改善低压绕组内部最热点温度，满足变压器可靠和安全运行的要求。为风电干式双分裂变压器的最热点确定提供了研究方法和途径，也可以为风电干式双分裂变压器的深入研究应用和现场运行维护提供了依据和指导。

关键词：海上风电;双分裂变压器;半穿越绕组热点;温度场仿真

中圖分类号：TM41文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0247-04

Research and Optimization of Winding Hot Spots of Wind Power Dual SplitTransformer under Semi-traversing Condition

Zhou Qifeng

（Siemens Transformer（Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510530， China）

Abstract： Magnet and ANSYS Fluent simulation software were used to simulate and optimize the distribution of magnetic leakage field， winding load loss and temperature field of SCSFB11-7400/35 dry type dualsplit transformer for wind powerunder semi-penetrating working condition. Meanwhile， temperature rise test was used to verify the accuracy of simulation results and finally determine the position and value of hottest point of winding. The preconditions of the research mainly include transformer type and parameters， operation mode， maximum temperature limit， heat exchanger power， cooling water temperature and cooling air volume requirements， etc. The hottest point in the windings of double split transformer under semi-penetration working condition was positioned at around 2/3 thickness （from inside to outside in radial direction） of the upper low voltage winding according to the research， and adjusting conductive foil thickness and/or turns distribution of low voltage winding was verified to solve the uneven distribution of the loss of half through the condition of low voltage winding current uneven distribution of the loss concentration problem， thus the hot spot temperature inside the low-voltage windings could be improved to meet the design requirements. The research results provide a research method and approach for determining the hot spot of dualsplit transformers for wind power， and provide a basis and guidance for in-depth research， application and field operation and maintenance of dualsplit transformers for wind power.

Key words： offshore wind power; dual split transformer; semi-penetrating winding hot spot; temperature field simulation

0 引言

风电双分裂干式变压器 SCSFB11-7400/35普遍应用在国内某6 MVA海上风力发电平台上，发电机转子经两路变频器与该型双分裂变压器的两个低压绕组连接，构成并联电气回路，然后通过高压绕组实现升压和传输电能到电网中。由于双分裂变压器的特殊结构，一旦其中一路变频器连接的一个低压绕组发生短路时，半穿越运行时的阻抗约是正常运行时全穿越阻抗的2倍，分裂电抗约是全穿越电抗的4倍，可以有效地限制短路电流。同时通过两个低压绕组与两个变频器并联接线方式，当其中一个变频器发生故障时，另一个变频器可以继续运行，发电机组可以维持一定的发电能力，提高了6 MW海上风力发电平台的可靠性和安全性。同时，由于该平台双分裂变压器采用了干式变压器，而干式变压器具有绿色环保、过载能力强、免维护和良好的阻燃特性，也进一步提高了6 MW海上风力发电平台的可靠性、安全性和经济性[1-3]。

通常情况下，绝缘热老化是影响变压器使用寿命的主要因素，其中影响绝缘热老化的因素包括变压器的温升水平、环境温度、负荷大小和电能质量等，前者起到决定性的作用。对于双分裂变压器来说，长时间运行在半穿越且满负荷的状态是变压器运行的最极端工况，在该状态下绕组内部最热点温度应该不超过绕组绝缘的最高耐受温度，才能确保变压器全寿命周期内的绝缘安全和可靠性，从而确保风力发电机组的安全性和可靠性。因此研究和确定半穿越状态下的绕组最热点温度的位置和大小成为解决该问题的关键。国内有不少学者对半穿越状态下的双分裂变压器绕组的电流分配问题或者平均温升问题开展了仿真研究[4-5]，其中绕组的最热点温度是通过平均温升结合标准规定进行折算的，而对于风电干式双分裂变压器在半穿越状态下的绕组最热点位置和大小的确定以及试验验证鲜见文章报道。本文通过运用 Magnet 和 ANSYS Fluent 仿真软件对 SCSFB11-7400/35干式双分裂变压器在半穿越状态下的漏磁场分布、绕组负载损耗和温度场进行仿真，然后基于仿真结果对产品的设计方案给出优化措施，同时通过温升试验验证仿真结果的准确性，最终确定绕组的最热点温度的位置和大小，达到了设计要求。

本文研究所基于的前提条件为：（1）变压器运行在全密闭外壳内，外壳防护等级 IP44;（2）变压器的冷却方式是强迫风冷，外壳内的空气通过安装在外壳侧下方的水冷换热进行热交换;（3）水冷换热器的功率是35 kW，风力发电机组现场提供的冷却液的最高温度为47℃。冷却风量4883 m3/h;（4）半穿越且满负荷运行状态。

1 变压器主要参数

该 SCSFB11-7400/35型树脂浇注干式双分裂变压器的主要参数如表1所示。

根据 GB1094.11中对干式变压器绝缘系统的温升限值的描述，F 级绝缘材料最高允许的温度为155℃。考虑到实际生产中绝缘材料的耐热值偏差5 K ，绕组的最热点温度不应超过150℃，才能确保变压器全寿命周期内的绝缘寿命安全[6]。

2 产品设计和软件仿真

2.1 电磁设计

使用电磁计算软件对该变压器进行方案设计，初步方案的主要数据如表2所示。

根据电磁计算结果，高压绕组轴向分上下两段，容量和匝数相同，辐向按照2段/1气道布置;低压绕组轴向双分裂布置，低压绕组辐向按照4段/3气道布置，匝数分布（由内往外）为2匝+3匝+3匝+2匝。绕组结构布置如图1所示。

2.2 漏磁场和损耗分布仿真

双分裂变压器的运行方式分为全穿越状态运行和半穿越状态运行。全穿越状态运行时，低压绕组1和低压绕组2之间并联，与高压绕组构成满负荷运行电磁耦合回路。由于低压绕组1和低压绕组2完全一样，与高压绕组上下部分的电磁耦合一致，因此电流分配在低压绕组1与高压绕组上部分和低压绕组2与高压绕组下部分都是一样的，这是正常的工作状态。半穿越状态运行时，低压绕组1或低压绕组2与高压绕组构成一半额定负荷运行电磁回路。由于只有一個低压绕组与高压绕组电磁耦合，因此低压绕组与高压绕组上下部分的耦合程度是不一样的，电流在高压绕组和低压绕组的分配也是不均匀的。

双分裂变压器全穿越状态运行和半穿越状态运行时的漏磁场2D分布如图2所示。

对于双分裂变压器来说，对散热最不利的半穿越状态运行方式是低压绕组2和高压绕组构成电磁耦合回路，如图2（b）所示。由于半穿越状态下电流在高压绕组和低压绕组的电流分配是不均匀的，导致绕组内部不同部位的损耗也是不同的。损耗大小决定绕组的温度高低，不同部位产生的损耗不同导致温度也是不同的。理论上，损耗最高的部位就是绕组的最热点。为了计算绕组不同部位的损耗，需要运用 Magnet软件建立合适的3D 磁场计算模型，如图3所示。

根据3D磁场模型仿真计算的半穿越状态（高压绕组-低压绕组2）下的电流分配数据，为了简化计算，按照高压绕组的段数进行网格化，计算得出高压绕组和低压绕组不同段的损耗分布如图4所示。

根据损耗分布计算结果，可以得出：（1）半穿越运行时，低压绕组1和低压绕组2都会产生很大的涡流损耗，其中低压绕组2的损耗相较于全穿越时的损耗增加了43.8%，源于涡流损耗增加;（2）绕组最热点位于低压绕组2的第4～8匝（由内往外）上端部区域[7]。

2.3 温度场分布仿真

将损耗分布的计算结果以及强迫风冷的风量和换热器出口温度作为仿真软件 Ansys Fluent建立温度场模型的施加载荷条件，该双分裂变压器在半穿越状态下的温度场仿真结果如图5（a）所示。由图可知绕组的最热点在低压绕组2的上端部区域，最热点温度约为157℃，超过了第1节中规定的最高耐受温度150℃，需要重新优化设计[8]。

经过分析原因和重新计算，优化设计方案：（1）增加低压绕组的导体铜箔厚度至2.2 mm ，降低最热点处的电阻损耗;（2）调整低压绕组匝数分布为2匝+2匝+3匝+3匝（由内往外）;（3）优化外壳内的风道设计，增加导流板和减小风道连接间隙。优化后的温度场分布如图5 （b）所示，最热点温度下降至146℃，满足要求。

3 试验验证

为了验证设计和仿真的结果，确定绕组的最热点，在变压器样机的低压绕组绕制的时候，在低压绕组的端部第2匝、第5匝和第8匝（由内往外）预埋 PT100温度探头，并连接到温度记录仪上，用于测量半穿越状态温升试验时这些位置的温度值。预埋 PT100温度探头布置图和编号如图6所示。

按照 GB1094.2和 GB1094.11的要求，采用模拟负载法测试变压器样机的温升。变压器样机的部分例行试验结果和温升试验参数如表3所示。由表可知，实际测量的半穿越负载损耗与仿真结果非常接近。相对于变压器全穿越状态下运行产生的负载损耗，半穿越状态下运行时负载损耗增加了41%。

仿真低压绕组2预埋的 PT100温度测量结果（最高温度）如表4所示。由表可知，低压绕组2的第5匝的温度最高，为137.3℃，考虑到温度辐向分布以及高压绕组的影响，判断绕组最热点位于第5～7匝之间的区域。此外，由于温升试验时测得的冷却液进水温度为39.9℃，与现场提供的冷却液最高入口温度47℃差7.1 K。因此，该双分裂变压器在实际运行时，低压绕组2的最热点温度可以达到137.3+7.1=144.4℃，符合设计要求，也小于 F 级绝缘最高耐受温度，是完全可以接受的。

4 结束语

本文以应用于海上风力发电6 MW平台的树脂浇注干式双分裂变压器 SCSFB11-7400/35为例，通过运用 Mag? net和Ansys Fluent软件仿真和温升试验验证，研究了风电双分裂变压器半穿越状态下的绕组热点问题，结论如下：

（1）风电双分裂变压器在半穿越状态下的最热点温度在低压绕组2的上部、辐向绕组厚度约2/3（由内往外）处;

（2）可以适当调整低压导体箔材的厚度或/和低压绕组的匝数布置来改变半穿越状态下电流分配不均所造成的损耗集中问题，从而改善绕组内部最热点温度;

（3）温升试验时PT100探头的布置位置对确定最热点温度非常重要，需要结合温度场仿真结果进行科学布置。

本文研究结果为海上风电双分裂变压器的最热点确定提供了研究方法和途径，为海上风电双分裂變压器的深入研究应用和现场运行维护提供了依据和指导。

参考文献：

[1]路长柏.电力变压器理论与计算[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

[2]尹克宁.变压器设计原理[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3]侯仰风.双分裂变压器的研究与设计[D].青岛：山东科技大学，2018.

[4]谈翀，胥建文，徐莲环，等.低压轴向双分裂变压器半穿越状态下绕组电流及温升计算[J].变压器，2017，54（6）：10.

[5]王李伟，郭红兵，孟建英，等.基于贝叶斯公式的变压器绕组辐向变形群组评估[J].内蒙古电力技术，2021，39（2）：25-27.