漂浮式海上风电变压器的设计应用分析

高 超

（上海ABB 变压器有限公司）

0 引言

漂浮式风机意义不仅体现在可以获取更丰富的风能，提升海上风电经济性。更重要的是，漂浮式海上风机的开发应用标志着我国海上风电机组在高端装备制造能力上实现重要突破，为向可持续能源未来的转型提供了支持。在漂浮式风机机组中，漂浮式变压器是重要的组成机构，对风机机组的运行使用起着关键作用。

1 漂浮式海上风电干变应用状况

中国风电通过技术创新取得了巨大成就，为全球绿色发展做出了巨大贡献。在2020～2022 年期间，我国风电产业装机稳中向上，为后续发展打下坚实基础，风电技术创新不断增强，风电机组进入高速发展阶段。

专家们认为，目前国家对于风电行业的政策环境极佳，正在进入新的发展扩充阶段。目前，风电产业应做好技术创新工作，保障产品质量与可靠性，并进一步提高优质风能资源的开发和利用，创造更加广阔的市场空间。要做好风电应用场景的拓展，提升风电市场的消纳能力，大力推进以新能源为主体的新型电力系统建设，深海远海漂浮式技术的广泛应用将成为必然趋势。

漂浮式海上风电变压器可以承受任意空间方向的倾斜、摇摆等严苛的物理要求，便于安装在风机内部，可承受漂浮式海上极端环境工况，适应包括台风和海上巨浪等带来的挑战，满足深海、远海的安装需求。同时，海上漂浮式风电变压器的应用可以减少近海浅海视觉冲击和噪声污染，可获取转化更丰富的风能。更具位置灵活性和工程经济性，有效扩大海上风电的使用范畴，提升海上风电输电效率，全方位提升海上风电经济性。这将是海上可再生能源领域的重要突破，为清洁能源的发展带来巨大的机遇，从而帮助全社会迈向可持续能源的未来。

2 影响漂浮式海上风电干变的因素分析

2.1 变压器振动问题

以“三峡引领号”漂浮式海上干式变压器为例，现场振动环境参考如下表所示。

不同于常规的固定式海上风电应用，漂浮式海上风电的基础部分始终处于三维运动状态，海浪与海风的耦合效应会对机组产生更加明显的影响。漂浮式的风电机组基础所带来的摇摆、俯仰、移动升降、艄动旋转等运动与各种现场使用工况相耦合。同时，较高的运动幅值与加速度也会对风电机组整体布局和传动链方案提出新的挑战。此外，我国沿海区域台风高发，更是对机组抗台风性能提出了严苛物理要求。因此，变压器的结构强度、耐久性、连接的防松设计、进出线电缆的固定、接线端子的设计等都是漂浮式海上风电机组设计领域难点中的难点。振动环境风向示意如图1 所示，振动环境倾斜示意如图2 所示。

图2 振动环境倾斜示意

2.2 变压器组件振动问题

海上风电变压器除了本体及安装会面临较大的振动挑战外，变压器常用组件，如控制箱、水冷装置等也会存在振动的影响问题。在变压器组件中，水冷装置和控制箱控制变压器的运行和运行逻辑，是变压器的最重要组件。当变压器处于振动过程中，控制箱中的继电器、指示灯等电子元器件，会受到变压器振动的影响，连接松动甚至脱落。水冷装置内置冷却芯、风机，并导通冷却液，在漂浮振动过程中，如果水冷装置结构不牢靠，会增加水冷装置紧固件脱落，壳体开裂、漏液的问题。这些都是在振动过程中，变压器组件会遇到的，需要在设计时着重考虑。

2.3 变压器温升问题

为了提高干式变压器在海上高湿度、高盐雾的环境下的可靠运行，变压器的防护等级通常不低于IP44，这种防护可以满足隔绝外界污秽空气的设计方案，但同时也增加了散热设计的问题。温升是变压器的重要参数之一，温升的升高会增加运行风险，减少变压器使用寿命。对于漂浮式风电干式变压器，因所处深海远海区域，变压器所受潮湿、盐雾环境较浅海近海会更突出，变压器的外壳会更加密闭，如果散热不均匀，散热不合理，会增大线圈开裂的风险，以及因外壳温度过高而传导到控制系统，从而使控制单元受损或失灵。

3 漂浮式海上风电变压器设计方案

3.1 变压器结构设计方案分析

风电机组运行过程中，机舱或许时刻都在振动，特别是机组面临台风等严重的外部物理因素时，振动很大。所以，变压器的抗振动设计十分关键。在实际设计中，通过一些措施可减小变压器本体变形和紧固件的松动，比如变压器线圈浇注或组装为一个刚体，使线圈自身具有良好的抗振能力。增加变压器底垫脚的个数，固定螺栓的个数，对变压器起到很好的固定作用。底座采用刚性连接方式的同时，底部采用拉索软性连接，变压器上下夹件采用加强支撑连接支架方式，使变压器与外壳成为一个整体，避免外壳的晃动。

变压器本体铁心叠片采用冷轧取向电工钢带45°全斜接七级或以上级。高压线圈采用全筒式连绕工艺，采用高压真空浇注工艺。低压线圈采用箔绕制，考虑到会有散热问题，通常低压线圈中间设气道，采用预浸绝缘端部树脂密封固化。轴向高度方向，线圈与上、下铁轭之间采用交错式绝缘垫块压接，线圈辐向方向，低压线圈与铁心轭柱之间采用硬性连接方式。

同时，可通过安装振动传感器、位移传感器或其他类型传感器及配套组件，用于采集变压器的运行状态，从而在后续的使用过程中进行监控和作为分析振动的依据支撑。

在整个漂浮式变压器设计中，结构设计是关键，一般采用系统性的倾斜静力学仿真分析、摇摆动力学仿真等方式辅助设计。

通过对倾斜45°的持续性纵倾、横倾（模拟任意方向倾斜）以及在X、Y、Z方向的振动过程，变压器安装底座为最大应力点，平均最大应力为X轴本体84.602Mpa，X轴本体124.44Mpa，Y轴本体125.31Mpa，Y轴本体84.072Mpa，Z轴本体128.33Mpa，Z轴本体104.19Mpa，底座和钢制件连接理论上不会发生形变引起的强度失效。X、Y、Z方向冲击云图如图3～图5 所示。

图3 X 方向冲击云图

图5 Z 方向冲击云图

3.2 变压器组件振动验证及解决方案分析

在漂浮式干式变压器中，变压器一般采用水冷方式冷却，各组件面板多为拼装式模块面板，紧固方式可采用防松螺栓，螺栓和防松胶水的方式。而考虑到因振动造成的影响较大，通常会进行双加强筋和连体支撑方式进行固定和加强。同时，对于组件，尤其是水冷装置等重要组件的仿真分析是必要的。

通过对重要组件45°的持续性纵倾、横倾以及在X、Y、Z方向的振动过程，变压器组件与变压器的外壳连接安装位置为最大应力点，平均最大应力为X轴电机板7.4Mpa，X轴水冷外壳2.4Mpa，Y轴电机板10.1Mpa，Y轴水冷外壳6.1Mpa，Z轴电机板0.9Mpa，Z轴水冷外壳0.4Mpa，底座和钢制件连接理论上不会发生形变引起的强度失效。

通过分析，在给定的振动条件下，模型气室X、Y、Z方向最大应力满足要求，产品在倾斜45°的四种工况下均可满足要求。

3.3 变压器温升设计方案分析

在漂浮式干式变压器中，变压器外壳内部空气与塔筒或机舱内的空气流通，机舱内的高潮湿、高盐雾空气会进入变压器外壳，给变压器造成严重腐蚀。甚至，变压器绝缘表面的污秽物中可溶性物质溶于水，使得表面上形成一层导电膜，从而大大降低变压器绝缘。在电力场的作用下容易产生剧烈放电现象，即污闪。

为了避免此类情况，常常采用将变压器安装在防护等级不低于IP44 的外壳内，采用内部循环冷却系统与外界循环热交换的方案：在外壳上设置轴流风机，风道和热交换装置系统。在变压器器身上设置导流隔板。在变压器运行过程中，在水冷装置的轴流风机把外壳内热空气吸到水冷装置冷却芯中，进行热量交换。外循环把热量带走，冷却的空气进入外壳下部，在隔板引导下，经过变压器主空道和低压线圈内部的低压气道，对变压器线圈进行冷却。

通过分析，模拟出水冷却装置进出风口温度差、速度差，温度分布与实际变压器运行状态温度分布一致，这也验证了IP44 全密闭外壳对于散热的合理性。

因此，变压器的散热不再是一个单独孤立的系统，它不仅与变压器自身的散热有关，还与轴流通风机，热交换装置的散热效率，外循环有关。温升散热示意图如图6 所示。

图6 温升散热示意图

4 结束语

漂浮式海上干式变压器具有更强的抗振、抗腐蚀的特点，可以应对环流、台风等客观因素影响较大，可以承受任意空间方向的倾斜、摇摆等严苛的振动环境，承担更高的载荷。因此，在变压器的抗振动本体设计、外壳设计、组件设计、安装连接设计、温升性能优化设计、防腐蚀优化设计中，通过有效的性能加强、仿真辅助等具有重要的设计应用价值。