3MW風電機組升壓變壓器高壓側(cè)接線形式的探討

張 瑋，胡 靜

(華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120)

風電場的大規(guī)模化和風電機組單機容量的提高，已是風力發(fā)電規(guī)劃發(fā)展和開發(fā)研究的必然趨勢。我國海上風電項目的建設(shè)，已將2.5MW、3MW的風電機組推向市場，并擁有了一定的運行經(jīng)驗。隨著近兩年中國零部件產(chǎn)業(yè)鏈供求趨于平衡，風電機組造價穩(wěn)中有降，更多風電項目的投資者和建設(shè)單位，青睞于提高風資源利用率、降低綜合投資和提高發(fā)電收益的明顯優(yōu)勢，國產(chǎn)陸上風電機組的主流機型已經(jīng)從單機容量1.5MW～2MW逐漸向2.5MW～3MW過渡。

國家電網(wǎng)公司《風電場電氣系統(tǒng)典型設(shè)計——第二冊 變電部分》(以下簡稱“典設(shè)”)對風電機組高低壓側(cè)設(shè)備配置中升壓變壓器高壓側(cè)(35kV側(cè))有如下要求：對于2MW及以下容量的風電機組，采用負荷開關(guān)與熔斷器組合方式；對3MW容量及以上風電機組，采用真空斷路器形式。

本文將針對風力發(fā)電機組箱式變電站高壓側(cè)采用斷路器和負荷開關(guān)與熔斷器的兩種接線形式進行比較和探討。

1 傳統(tǒng)風電機組變壓器配置接線

與常規(guī)火電機組的布置特點相比，風電場占地面積大、風電機組單機容量小、布置分散，數(shù)量較多，風機通常均采用一機一變的接線形式就地升壓至35kV，多臺風電機組通過集電線路并聯(lián)匯集后送至風電場升壓管理站。因風電場的布置特點不方便從管理站接取操作電源，故傳統(tǒng)的風電機組升壓變壓器高壓側(cè)通常采用負荷開關(guān)和熔斷器進行保護，如圖1所示。其接線形式簡單、可靠并可與變壓器按美式箱變的結(jié)構(gòu)緊湊布置，節(jié)約占地。

圖1 高壓側(cè)配置負荷開關(guān)和熔斷器的機組變接線示意圖

2 3MW風電機組變壓器典型配置接線

前些年受熔斷器選型限制，我國3MW級以上的大型風電機組，升壓變壓器高壓側(cè)通常按真空斷路器的型式配置。因為35kV熔斷器的額定電流僅能做到50A～63A，無法滿足3000kVA變壓器的使用要求，接線示意見圖2。

此種接線在升壓變壓器的高壓側(cè)配套了斷路器，相應(yīng)配置了完善的三段式保護等二次保護功能，并通過光纜上傳全部斷路器就地設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，可進行遠方操作。但同時也帶來了占地面積大，只能應(yīng)用于安裝復(fù)雜的歐式箱變結(jié)構(gòu)內(nèi)，直流操作電源無法解決等諸多問題。

3 負荷開關(guān)和熔斷器在3MW機組升壓變壓器中應(yīng)用的可行性

圖2 高壓側(cè)配置真空斷路器的機組變接線示意圖

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求的不斷擴大，在2011年前后，國內(nèi)各大電力設(shè)備生產(chǎn)廠商紛紛推出了適用于3000～3500kVA 容量的80A級的全范圍插拔式熔斷器，并通過了相關(guān)檢測，使得3MW級風電機組采用負荷開關(guān)和熔斷器組保護成為可能。其安秒特性曲線見圖3。

圖3 熔斷器安秒特性曲線

由圖3可知，80A全范圍熔斷器的過載保護和短路保護的特性完全可以滿足3000kVA變壓器的過流和速斷保護要求。

《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》(GB50062－2008)關(guān)于“電力變壓器的保護”中規(guī)定： “電壓為10kV的重要變壓器或容量為2MVA及以上的變壓器，當電流速斷保護靈敏度不符合要求時，宜采用縱聯(lián)差動保護?！?/p>

因此，容量為3MW的箱式變電站，采用熔斷器組合電器作為速斷保護滿足繼電保護規(guī)范要求。

4 技術(shù)經(jīng)濟比較

作為大容量變壓器的保護設(shè)備，斷路器完善的保護功能優(yōu)點顯著，但不論變壓器事故跳閘或熔斷器熔斷后都必須由值班人員到現(xiàn)場檢查變壓器后，才可合閘送電，事故處理方式上二者是一樣的。從運行經(jīng)驗上看，負荷開關(guān)和熔斷器方案在箱變故障時能迅速切斷電源，沒有誤動作可能性，火災(zāi)事故也很少發(fā)生，安全性不比斷路器保護跳閘差，在風電場已有多年使用經(jīng)驗，保護能力完全能夠滿足規(guī)范要求和現(xiàn)場需求。

從布置上看，采用真空斷路器的配置形式，需要相應(yīng)配置繼電保護、蓄電池組等二次設(shè)備，帶來箱變布置復(fù)雜、占地面積大，還要考慮保溫等諸多問題。而采用全范圍插拔式熔斷器配合負荷開關(guān)的配置，使得3MW級變壓器可以采用傳統(tǒng)的美式箱變的緊湊型全密封結(jié)構(gòu)，更有利于箱式變電站的安裝。

從經(jīng)濟性分析，配置真空斷路器的升壓變壓器，比配置熔斷器組合電器至少高出約4～5萬元，相當于單臺箱式變電站總價的20%左右。因此，使用熔斷器組合電器的配置形式在經(jīng)濟性上具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié)語

綜上所述，價格合理、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定和保護靈敏的技術(shù)經(jīng)濟特性要求，決定了目前我國3MW容量的風電機組升壓變壓器依然更適合配置負荷開關(guān)與熔斷器組合電器的接線形式。隨著80A及更大電流的全范圍熔斷器產(chǎn)品的不斷成熟，負荷開關(guān)與熔斷器組合電器的配置必將成為3MW級風電機組升壓變壓器的主流接線形式。

[1]國家電網(wǎng)公司.風電場電氣系統(tǒng)典型設(shè)計[M].中國電力出版社，2012.

[2]GB50062－2008，電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范[S].

[3]李暉，王靖，解統(tǒng)成.風電場電氣設(shè)計特點及標準化.