（福州天宇电气股份有限公司 福建 350012）
摘要：在能源和环境问题日益受到关注的当下，风能与太阳能作为最具潜力的清洁可再生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及使用的经济性，越来越受人青睐。大力发展风力、光伏产业，积极开发风能、太阳能在全球范围内都得到空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分，我国也把大力推广风力、光伏发电系统作为能源战略的一个重点。本文通过对产品接线方案及结构的优化实现途径做出研究，并给出详细的工程图，介绍了本企业风力、光伏发电系列35kV组合式变压器应用及优化设计的诸项关注点。优化设计方案在具体应用中效果较好，达到了预期要求。
关键词：风力、光伏发电系列35kV组合式变压器应用；产品结构设计方案优化要点；产品接线设计方案优化要点
1 风力、光伏发电系列35kV组合式变压器发电原理及技术要求
1.1 风力发电系列35kV组合式变压器发电原理
风力发电技术是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使单台装机750kW或1500kW的风力发电机发电。发电机组发出的电能经整流、逆变成一般为690V(或620V)的交流电后，通过变压器升压到10kV或35kV，之后经埋地电缆或架空线方式输送到风电场升压站，向电网供电。如图1所示。
1.2 光伏发电系列35kV组合式变压器发电原理
光伏发电是利用半导体界面的光伏特效应，将光能直接转变成电能的一种技术。它的主要部件包括太阳能电池、蓄电池、控制器、逆变器、和光伏发电用组合变压器。光能通过一般为1MW一台或0.5MW两台的逆变器，将直流逆变为交流的输出端低压电能一般为400V(或270V、315V)，之后通过变压器升压到10kV或35kV，再经埋地电缆或架空线方式输送到光电场升压站，向电网供电。如图2所示。
1.3分述风力、光伏发电系列两类产品的技术要求
1.3.1使用环境
我国风力、太阳能资源丰富。风力资源一般集中在沿海、东北及西北地区，这些地区都具备建设风电场的资源条件。光伏电站适合建设在全国三分之二面积的四类地区，一类主要在青海、宁夏、西藏一带；二类主要在西北、华北、云南一带；三类主要在华东、华南一带；四类主要在四川、贵州。变压器在风电场、光电场中的运行环境都比较恶劣，设计时必须结合运行环境来考虑。一般需考虑以下几个因素：
1）东北及西北地区环境温度低、温差大，在产品元器件及组件选型上必须选择耐低温型。
2）北方风沙大且多雨雪；南方多雨、潮湿；沿海地区呈盐雾、霉菌及湿热的特点。这些气候特征均对产品提出了高防护等级、外观涂层强防锈工艺、驱潮配套设计等要求。
3）风、光电场运行海拔高度因地而异，设计时也需根据相应海拔高度对绝缘水平、温升、爬电及泄漏比距等技术参数进行修正。
总之，产品应经过严格设计及试验验证，具备合理的防护结构、防尘结构以及耐低温、高海拔性能，以满足恶劣环境条件下正常安全运行要求。
1.3.2技术参数
ZF(G)S11- Z(H).F系列风力发电用组合式变压器符合JB/T10217《组合式变压器》标准，适用于电压等级为10kV～35kV，额定容量为500kVA～3150kVA，额定频率50Hz的终端、环网型供电方式。
ZGSS11- Z(H).G系列光伏发电用组合式变压器符合JB/T10217《组合式变压器》标准，适用于电压等级为10kV～35kV，额定容量为500kVA～1600kVA，额定频率50Hz的终端、环网型供电方式。二产品的技术参数详下表述：
2风力、光伏发电系列35kV组合式变压器接线设计方案的应用及优化要点
2.1高压一次接线方案
高压一次接线方案主要包括：高压出o线、过电压保护、负荷开关与熔断器。各方案组成分述如下：
1）高压出线方式有二种：其一为采用全绝缘欧式T型电缆插拔头的全绝缘出线；其二为瓷绝缘或干式复合绝缘的高压绝缘子与普通电缆头的固定连接出线。
2）过电压保护方式有三种：其一为欧式T型避雷器；其二为避雷器；其三为TBP过电压保护器。
3）负荷开关与熔断器的选用方式有二种：一种为油浸式负荷开关加熔断器，一种为可实现两者间联动的负荷开关—熔断器组合电器。其中，熔断器也有两种，一种为全范围限流熔断器，另一种为过载熔断器和后备限流熔断器二级保护。由于风力、光伏组合式变压器输出功率均不会超出额定功率，因此不必考虑变压器的过负荷能力，故推荐将过载熔断器和后备限流熔断器二级保护合并为单一的全范围限流熔断器进行保护，这样可有效减少变压器内部接点，提高可靠性且降低产品成本。
2.2变压器本体接线方案
变压器本体接线方案可按照常规电力变设计，但须满足设计院要求的技术参数值，且应按升压变压器来考虑。因风、光发电均具有明显的季节性，据估算，变压器的年负载率平均只有30%左右，故要求变压器的空载损耗要尽量低。
变压器本体结构设计方案有共箱式与分箱式两种可选，将高压开关等部件与变压器本体分开/合并安装的组合变称为分箱式/共箱式组合变。若采用分箱式结构（即将负荷开关浸没在单独的变压器油室中，再通过35kV接线端子与变压器主油箱实现电气连接），这样一方面避免了在高电压下操作负荷开关的过程中所产生的电弧会引起变压器油的老化和碳化，从而影响变压器本体的绝缘性能，另一方面也方便了高压元件的操作和更换维护，但成本上升。
2.3低压一次接线方案
低压侧由于前一级风力、光伏发电机组的自动保护完善，因此设计可简单化，只装设刀融开关来保护低压出线端线路。但也有设计方案将低压主进线采用智能型万能式断路器，可实现过载长延时、短路短延时、瞬时和接地四段保护，同时可将分合闸、故障跳闸等状态上传，及时了解运行状态。一般要求断路器最低允许工作温度在-40℃。
其余可视需求配置微型断路器、低压避雷器、低压辅助变压器、电流表、电压表等配套设备。低压侧配置的辅助变压器可为低压侧线路提供220V电源，用于照明，检修等。
2.4风力、光伏发电系列35kV组合式变压器常见主接线方案
2.4.1风力组合变常见主接线方案图，见图3所示。
2.4.2光伏组合变标准双绕组主接线方案图，见图4所示
2.4.3光伏组合变标准双分裂绕组主接线方案图，见图5所示
2.4.4非标方案：根据用户需求专门订制。
图4 光伏组合变标准双绕组主接线方案图
3 风力、光伏发电系列35kV组合式变压器结构设计方案的应用及优化要点
3.1产品结构方案
35kV组合式变压器同10kV一样，一般存在三种结构方式：“品”字型、“目”字型、“L”字型。为满足产品小型化及外观美观大方实用性需求，我司根据两类产品的方案特点，推荐风力组合变按“L” 字型（如图6所示）结构形式制造，产品分成四个独立隔室，分别为高压电缆室、高压操作室、低压操作室及变压器器身。推荐光伏组合变箱体按照“品”字型（如图7所示）结构形式制造，产品分成五个独立隔室，分别为高压电缆室、高压控制室、高压熔断器室、低压操作室及变压器器身。
3.2产品结构特征
两系列产品底座均以槽钢焊接成型，辅以角钢焊接；底板采用优质冷轧钢板加工装配而成；箱体采用优质冷轧钢板加工后拼装；变压器法兰面采用6mm冷轧钢板及扁钢制作后焊接；变压器器身固定于底座上后，与箱体钣金壳体匹配安装。产品结构特点如下：
1）箱体外壳有足够的机械强度，变压器散热片有防碰撞措施，保证在安装生产、运输、起吊过程中不发生变形。产品外形设计美观、有多种可选外壳色彩与环境相协调。外壳采用含抗紫外线成分的专用油漆，不仅涂层与金属表面有很强的附着力且抗暴晒、耐老化、防腐蚀性能强，15~20年不掉漆、脱色。
2）箱体内外门均向外开启，开启角度大于90°，并设有防风定位装置。外门框结构设有导水槽，门框与外门之间利用密封条密封，保证防护等级达到IP54。外门铰链具有防风型、防寒耐冻、15~20年不变形。外门装有专用锁集把手、暗闩于一身，具有防雨、防堵、防锈和不易被破坏的功能。
3）高压电缆室采用内外双层门。内门门锁采用螺纹式的门锁，门上配有带电显示器、电磁锁，防止带电开门，保障“五防”功能。
4）顶盖采用“盖帽式”单层设计，顶盖倾斜度大于3°，便于排水。
5）高、低压进出线电缆采用“下进下出”方式。
6）箱体为全密封防盗结构。采用隐蔽式高强度螺栓密封箱盖,整个箱体无外露可拆卸的螺栓。箱体外部明显设置“有电”、“不可拆卸”等警示标志。
7）箱体设有专用接地体,该接地导体上设有与接地网相连的固定连接端子，其数量不少于两个，并有明显的接地标志。接地端子为直径不小于12mm的铜质螺栓。
8）箱体配置真空压力表，监控油箱内压力；配备油位计，以监控油箱内的油位；配备油温表，以监控上层油温度；配备压力释放阀，以保证发生故障时迅速释压保护油箱；同时可根据需要提供油位、压力释放、温度、开关合分状态等保护上传信号，供监控系统采样监测。
图6 风力组合变（“L” 字型）结构示意图
图7 光伏组合变（“品”字型）结构示意图
4经采集合同项目经验，我司提出风力、光伏发电组合变产品在设计及生产环节关注要点如下：
1）加强箱体防渗漏油质量管控。对变压器散热片结构型式和材质问题加强把关；将箱体焊接做为产品质量控制点；关注进、出线套管的质量问题以及密封件的老化问题。
2）防风沙、雨雪的IP54防护等级设计措施应到位、防锈防腐工艺措施应到位。如取消常规百叶窗；加装密封耐候性橡胶封条；产品装配空隙部位填充耐候玻璃胶等。强调对外壳及所有金属外露件进行有效的防锈处理，采用烘烤面漆的工艺，对面漆厚度要求70～90um。
3）重点关注二处低压母排的连接紧固到位。其一为低压主母排应锁紧固定在母线框内，避免运输过程窜动，使主母排与壳体终端侧板或隔室间隔板间的对地安全距离不足，而产生对地短路；其二为变压器法兰面低压进线套管与低压框架断路器（或刀熔开关）连接应紧固到位且自然搭接，避免搭接排因运输窜动或搭接应力拉扯，使固定在变压器法兰面上的低压套管位置渗漏油。建议此处搭接可采用软连接，但将提升产品成本。
元器件选型及产品装配组件的选用应确保满足适用于低温环境，避免拒动或耐候性差。
5结束语
我司两系列产品资质齐全。项目目前成功运行于内蒙古、宁夏中宁、武安等地的风、光电场中。因对未来可再生清洁能源供电模式应用的预期呈上扬态势，故有必要对风力、光伏发电组合变进行应用及优化设计要点的探讨。值得一提的是，行业内仍须继续延伸攻关各种蓄能方式的可靠性保障问题。因风、光能利用在很大程度上其生命力由蓄能装置（蓄电池）的可靠程度来决定。有了高可靠性、智能化程度高的蓄能装置，有风、光时多余能量的储存及无风、光时的输出应用将可完美实现。
参考文献
[1]赵国君，肖勋．浅谈风电用组合式变压器的设计.
[2]张福田．风力发电场专用变压器的外型结构及额定参数的探讨.
[3]施英．改进型35kV光伏发电用组合式变压器.
论文作者:陈静
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/24
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