风机机组升压箱变的选型
风机机组升压箱变的选型
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风机机组升压箱变（通常称为“箱式变电站”或简称“箱变”）是风力发电场的关键设备之一，它将风机发出的低电压（通常为690V或1140V）升高到集电线路电压等级（通常为10kV或35kV），以便进行远距离传输并减少线路损耗。其选型是否合理直接关系到风电场的安全性、可靠性、经济性和运行效率。
以下是风机机组升压箱变选型时需要考虑的核心要素和步骤：
一、 核心输入参数 (必须明确)
1. 风机参数:
单机额定容量 (MW/kW): 决定变压器容量的基础。
风机额定输出电压 (kV): 通常是690V或1140V（部分直驱或中压风机可能更高）。
风机额定输出电流 (A): 用于计算容量和选择低压侧设备。
风机最大输出功率/过载能力: 考虑短时过载情况。
风机功率因数 (Cosφ) 及调节范围: 影响变压器容量计算和系统无功需求。
风机谐波特性 (THD): 影响变压器设计（温升、损耗计算）和是否需要特殊设计（如K系数）。
风机出口短路电流水平 (kA): 用于校验低压侧开关设备和变压器动/热稳定。
2. 电网/集电系统参数:
集电线路电压等级 (kV): 如10kV、35kV等。
系统最高运行电压 (kV): 决定变压器高压侧绝缘水平。
系统短路容量/短路电流 (kA): 用于校验高压侧开关设备和变压器动/热稳定。
系统频率 (Hz): 50Hz或60Hz。
系统中性点接地方式: 影响变压器高压绕组的绝缘水平和保护配置。
电压波动范围与要求: 影响是否需要有载调压开关。
并网点电能质量要求 (谐波、闪变等): 可能影响变压器设计或需增加额外设备。
3. 环境条件:
安装地点海拔 (m): 影响绝缘强度和冷却能力（需进行海拔修正）。
环境温度:
最高环境温度 (°C)
最低环境温度 (°C)
年平均温度 (°C)
湿度: 最大相对湿度。
污秽等级: 影响外绝缘爬电比距要求。
特殊环境:
沿海/盐雾: 需要更高的防腐等级（如C5级）。
风沙大: 需要更好的防尘密封。
高寒: 需要考虑低温启动、低温材料、防冻措施。
高湿/凝露: 需要加热除湿装置。
地震烈度: 影响结构强度和抗震要求。
安装方式: 地基安装、平台安装等。
二、 升压箱变主要技术参数选型
1. 额定容量 (kVA/MVA):
基础计算: `容量 S = P / (Cosφ * η)`。
`P`：风机额定输出有功功率 (kW)。
`Cosφ`：风机额定功率因数（通常0.9-1.0，具体看风机规格）。
`η`：变压器效率（通常很高，如>98%，初步计算可近似忽略，精确选型需考虑）。
关键考虑:
必须大于风机最大持续输出功率对应的视在功率。
考虑风机过载能力： 部分风机具有短时（如10分钟）过载能力（如110%-120%额定功率），变压器容量应能承受此过载而不超过温升限值。需查阅风机规格书。
考虑谐波影响： 如果风机谐波含量高（THDi较大），谐波电流会导致额外的铜损和铁损，引起变压器额外发热（热点温升）。此时需要：
降容使用： 选择比基础计算容量更大的变压器。
选择“K-Factor”变压器： 专门设计用于承受谐波负载的变压器，其绕组、铁芯和绝缘系统进行了加强，能承受谐波引起的额外热效应。需要根据实测或估算的谐波频谱确定K系数。
预留适当裕度： 通常建议在基础计算容量上增加10%-20%的裕度，以应对计算误差、未来可能的功率提升、运行工况变化等。
结论： 最终选择的额定容量 = MAX(基础计算容量, 满足过载要求的容量, 考虑谐波降容或K系数后的容量) (1 + 裕度系数)。 需结合风机具体参数和标准（如IEC 60076系列）进行计算和校核。
2. 电压等级与变比:
低压侧额定电压 (kV): 必须与风机额定输出电压匹配（如0.69kV, 0.114kV）。
高压侧额定电压 (kV): 必须与集电线路额定电压匹配（如10kV, 35kV）。注意区分系统标称电压和变压器额定电压（通常高压侧额定电压比系统标称电压高5%或10%）。
变比 (kV/kV): 由低压侧和高压侧额定电压决定（如0.69/10， 0.114/35）。
3. 分接开关与调压范围:
必要性： 风电场集电线路较长，电压波动可能较大。为满足风机端电压要求（通常要求稳定在额定电压的±10%以内），升压变高压侧常需要配置分接开关。
类型选择:
无励磁调压开关 (Off-Circuit Tap Changer - OCTC): 价格便宜，结构简单。但必须停电操作。适用于电压波动小、对电压调整实时性要求不高的场合。在风电场中较少采用，因为风机频繁启停且要求连续运行。
有载调压开关 (On-Load Tap Changer - OLTC): 可在不停电、带负载情况下调整电压。能有效应对风电场集电线路的电压波动，确保风机输入电压稳定。是风电场升压箱变的首选。缺点是价格高，维护相对复杂。
调压范围 (±%) 和档位数： 根据风电场集电线路的长度、负荷变化范围、系统电压波动情况以及风机电压要求来确定。常见范围如±4x2.5%（共9档）或更大范围（如±8x1.25%）。档位越多，调节越精细。
4. 短路阻抗 (Uk%):
定义： 变压器在额定电流下，一侧绕组短路时，另一侧绕组施加电压使短路电流达到额定值，该电压与额定电压之比（百分比）。
作用： 限制短路电流、影响电压调整率。
选择考虑:
限制短路电流： Uk%越大，限制短路电流的效果越好，有利于降低高压侧开关设备的开断能力要求和设备成本。但也需满足系统对最大短路电流的要求。
电压调整率： Uk%越大，变压器本身的电压降越大（ΔU% ≈ β Uk%， β为负载系数）。需要平衡短路电流限制和电压质量要求。
标准值： 风电升压变常用的Uk%范围通常在6%-8%之间。具体值需根据风电场短路计算结果和系统要求确定。
5. 绝缘水平与防护等级:
绝缘水平 (LI/AC kV):
低压侧： 通常按标准选择（如690V系统选3kV工耐/20kV冲击）。
高压侧： 根据系统最高运行电压和安装地点的污秽等级，参照标准（如IEC 60071）选择雷电冲击耐压 (LI) 和短时工频耐压 (AC) 值。高海拔地区需进行修正。
外壳防护等级 (IP Code): 保护人员安全，防止固体异物和液体进入。户外安装要求至少IP54（防尘、防溅水），沿海、盐雾、风沙大地区强烈推荐IP55或更高（如IP65）。门和通风口的密封至关重要。
防腐等级 (Cx): 根据环境腐蚀性（ISO 12944标准）选择。沿海地区必须采用高级别防腐（如C5-M）。 材质选择（如不锈钢、镀锌钢板+特殊涂层）和工艺需满足要求。
6. 冷却方式:
风电升压变容量相对较小（通常<3MVA），且安装在户外风机塔基附近，自然冷却 (ONAN) 是最常用、最可靠、维护最简单的方案。即依靠变压器油的自然对流和箱体外壳散热。
仅在特殊情况下（如极高环境温度、超大容量、紧凑空间限制散热）才考虑强迫风冷 (ONAF)。
7. 绕组材质:
铜绕组： 导电率高，损耗低（主要是负载损耗），温升低，体积相对小，机械强度高。初始投资高，但运行损耗低。 是风电升压变的主流选择，尤其对效率要求高的项目。
铝绕组： 价格便宜，重量轻。但导电率低于铜，要达到同等容量需更大的截面积（体积更大），负载损耗和温升相对较高。初始投资低，但运行成本高。在风电中应用较少，除非成本极其敏感且对效率要求不高。
8. 铁芯材质与损耗:
硅钢片 (传统取向硅钢片 - CRGO): 技术成熟，成本相对较低。空载损耗是其主要损耗。
非晶合金 (Amorphous Metal): 空载损耗极低（可比传统硅钢片降低60%-80%）。但材料本身薄且脆，加工难度大，成本较高（通常比同容量硅钢片变压器贵20%-40%），抗短路能力设计需特别注意。适用于年运行小时数极高、电价高、对空载损耗敏感的项目。 需进行详细的全生命周期成本分析 (LCC)。
损耗等级： 关注空载损耗 (P0) 和负载损耗 (Pk)。应选择符合或优于相关能效标准（如IEC 60076-20, GB 20052）的变压器。高效率变压器虽然初始投资略高，但长期运行节省的电费可观。
9. 低压侧配置:
进线方式: 通常采用电缆下进线。
开关设备:
负荷开关-熔断器组合电器： 最常见配置。熔断器提供短路保护，负荷开关负责正常通断操作和隔离。结构简单，成本低，保护特性与变压器匹配好。
断路器 (ACB): 提供更精确和可调的保护（过流、速断、接地等），可遥控操作，便于实现自动化。成本高于负荷开关-熔断器组合。在要求更高保护选择性、或风机容量很大时考虑。
电流互感器 (CT): 用于测量和保护。
电压互感器 (PT): 用于测量电压。
避雷器 (SPD): 低压侧防雷保护。
智能组件接口: 预留用于状态监测（如油温、油位、绕组温度、压力、气体等）的传感器接口和通信接口（如IEC 61850 GOOSE/MVSM）。
10. 高压侧配置:
出线方式: 通常采用电缆或架空出线（带套管）。
开关设备:
负荷开关： 用于通断正常的负载电流和提供隔离。常与熔断器配合（但高压侧熔断器保护变压器内部故障效果不如低压侧好）。
真空断路器 (VCB)： 提供可靠的短路开断能力和频繁操作能力，保护功能齐全。是风电升压箱变高压侧的主流选择，尤其当OLTC需要频繁调压时。
隔离开关/接地开关： 提供检修时可见的隔离断点和接地保护。
电流互感器 (CT): 用于测量、保护（过流、差动等）和计量。
电压互感器 (PT): 用于测量、保护和同期。
避雷器 (MOA): 高压侧防雷保护。
智能组件接口: 同低压侧。
11. 结构型式:
欧式箱变: 高压开关设备、变压器、低压开关设备三个隔室相对独立布置在一个公用外壳内。结构紧凑，应用广泛。是风电的主流选择。
美式箱变: 高压部分（如插入式熔断器、后备熔断器、负荷开关）集成在变压器油箱内，结构更紧凑，成本可能略低，但维护和扩展性不如欧式。也有应用。
紧凑型/一体化设计： 针对风电塔基空间有限的特点，优化布局，减小体积和占地面积。
12. 监测与智能化:
基本监测: 油温、油位、绕组温度（可选）、压力释放阀动作信号。
高级监测 (可选): 溶解气体分析 (DGA) 在线监测、局部放电 (PD) 在线监测、铁芯接地电流监测、有载分接开关 (OLTC) 动作次数和电流监测、微水含量监测等。这些对于状态检修、预测性维护、提高可靠性很有价值，但会增加成本。
通信接口: 支持标准通信协议（如IEC 61850, Modbus RTU/TCP），将监测数据和状态信息上传至风电场SCADA系统或状态监测系统。
三、 选型流程建议
1. 收集基础数据： 详细获取上述第一部分列出的所有风机参数、电网参数和环境参数。
2. 初步容量计算与参数确定： 基于风机功率和功率因数计算基础容量，结合过载能力、谐波影响和裕度要求确定额定容量。根据电压等级确定变比。初步选择分接开关类型（强烈建议OLTC）、短路阻抗范围（如7%）、冷却方式（ONAN）、防护防腐等级（IP55, C5）。
3. 短路电流计算： 进行风电场短路电流计算，校验所选变压器的动稳定电流 (Ipk) 和热稳定电流 (Ith x t) 是否满足要求，并最终确定Uk%。
4. 损耗评估与LCC分析： 比较不同铁芯材质（硅钢片 vs 非晶合金）和不同设计（铜 vs 铝）的初始成本、空载损耗、负载损耗。结合风电场年发电量、电价、运行年限进行全生命周期成本分析，选择经济性最优的方案。
5. 开关设备选型： 根据短路电流水平、操作要求（是否频繁）、保护配置要求（选择性）选择低压侧（负荷开关+熔断器 vs ACB）和高压侧（负荷开关 vs VCB）的开关设备类型及参数。
6. 绝缘与外壳选型： 根据系统最高电压、污秽等级、海拔高度确定绝缘水平。根据环境条件（尤其是腐蚀性）确定防护等级 (IP) 和防腐等级 (Cx) 及材质要求。
7. 智能化配置： 根据风电场智能化水平和运维策略，确定所需的基本监测和高级监测项目，以及通信接口要求。
8. 供应商沟通与技术规范书编制： 将以上确定的参数和要求形成详细的《技术规范书》，向潜在供应商询价和技术澄清。重点关注供应商的设计方案、关键元器件（变压器本体、OLTC、开关、智能组件）的品牌和质量、制造工艺、试验标准、业绩和售后服务。
9. 技术评标与确认： 评审供应商的投标方案，确认其满足所有技术要求，特别是容量、电压、阻抗、损耗、防护、开关参数、监测功能等核心参数。必要时要求提供型式试验报告或设计计算书。
10. 工厂监造与试验见证： 合同签订后，进行关键节点的工厂监造，并见证重要的出厂试验（如例行试验、型式试验项目）。
四、 特别注意事项
谐波： 现代变流器风机谐波特性复杂，务必要求变压器供应商充分考虑谐波影响，并提供相应的降容系数或K系数设计依据和温升计算报告。
防腐： 风电场环境（尤其海上、沿海）腐蚀严重，防腐是保证设备长期可靠运行的关键，必须在选材和工艺上严格要求，并明确验收标准。
抗震： 在地震区，需明确抗震要求（如加速度峰值），供应商应提供抗震计算报告。
维护便利性： 箱变内部布局应考虑检修、维护和更换元器件的空间和便利性。门开启角度、内部通道宽度、设备标识等细节很重要。
标准符合性： 确保设备设计、制造、试验符合相关国际标准（IEC）和国家/行业标准（GB, NB, DL等）。
备品备件与接口： 明确关键易损件（如OLTC操作机构部件、熔断器）的备品要求。明确与风机塔筒基础、电缆沟、SCADA系统的机械和电气接口。
总结：
风机升压箱变选型是一个涉及电气、机械、材料、环境、经济等多方面的系统工程。核心在于精确匹配风机和电网需求，充分考虑恶劣环境的影响（防腐、防护），高度重视可靠性和效率（OLTC、低损耗设计、优质元器件），并兼顾全生命周期成本。务必基于详细的项目参数，进行严谨的计算和分析，并编制清晰完善的技术规范书，才能选到最适合项目需求、安全可靠、经济高效的升压箱变。
建议在选型过程中，让有经验的风电设计院或技术顾问参与，并与风机供应商、箱变供应商进行充分的技术交流。