35kV耐高温光伏发电用组合式变压器研制

李新建 赵峰 郭艳君

摘 要：应用于美国市场的耐高温光伏发电用组合变压器具有容量大、低压支路多、温升限值高、结构紧凑的特点。为了满足上述产品需求，研制了35 kV耐高温组合式变压器，从器身结构、高温绝缘介质、保护方式等方面着手，对高温绝缘材料的选取、应用FR3油的绝缘结构、温升计算方法、内部引线结构、保护方式、相应组部件选取、小型化设计等方面进行了研究。

关键词：组合变压器；双器身；耐高温；熔断器并联

中图分类号：TM402 文献标志码：A

0 前言

近些年，光伏发电领域是投资与研究的热点领域，相关领域技术在不断发展。该领域追求的目标之一是越来越高的发电效率。提高发电效率的一个途径是提高单机容量。组合式变压器具有一二次集成度高、安装使用方便等优点，在光伏发电领域中大量应用。目前国内所使用的光伏发电组合式变压器，单机额定容量大多为1 MVA，电压等级为10 kV或35 kV，绝缘耐热等级大多为A级，应用矿物油作为绝缘与散热介质。GE公司为了在技术上取得全球领先地位，准备研发4 MW逆变器，该公司立项研发与之相配套的光伏发电组合式变压器。该项目不仅要提高单机容量，而且要针对矿物油易燃及不环保的缺点提出解决方案，提出一种耐高温难燃环保型光伏发电组合式变压器，达到节能环保、小型化、轻量化与高可靠性的目标。

1 产品研发的关键技术

1.1 器身结构优化

由于该项目产品容量大、低压输出支路多，并且要装入集装箱运输，产品的外型尺寸受到集装箱尺寸的限制，尤其是高度上，给变压器设计提出了很高的要求。

为尽量降低高度，采用了由双器身构成的四分裂结构。双器身共用一个油箱，每个器身高压两路并联，低压双分裂，2个器身并联实现单机四分裂，总共四路低压输出。这种结构一方面降低了器身的高度，另一方面也使每个器身的结构得到简化，提高了产品的可靠性。

1.2 绝缘材料优化选取

由于该项目为高温绝缘系统，其温升限值高于常规的A级绝缘产品，达到了绕组85 K，油面90 K。绝缘材料也不同于常规产品，应该选择更高耐热等级的材料。

产品设计时，根据IEEE C57.154标准，结合光伏箱变的实际运行工况，对变压器各个部位的发热、温升情况进行计算，根据不同的温升计算结果，来确定每个位置的绝缘材料，而不是一味提高绝缘材料的等级。这样既满足了变压器寿命的要求，也在最大程度上降低了成本。

双器身结构，每个器身通过拉螺杆拉紧。线圈排列从铁心向外依次为铁心-低压线圈-高压线圈，相间放置相间隔板，线圈端部放置铁轭隔板。2个器身间放置绝缘纸板。

在绕组不同部位使用不同的耐高温固体绝缘材料，使用耐高温可自然降解的天然酯绝缘液作为液体绝缘与冷却介质，由此构建了变压器耐高温绝缘系统，在全面解决矿物油变压器存在的弊端的同时，突破了油浸式变压器固有的A级耐热等级理论框架束缚，提高了变压器的耐热等级。针对天然酯绝缘液运动黏度大的缺点，在设计过程中对散热油隙尺寸进行优化，并对传统的温升计算公式进行了修正，使之更适合天然酯绝缘油产品。

1.3 总装配结构优化

低压线圈为双层层式结构，采用厚扁线多根轴向排列绕制，取消辐向排列，绕制时线圈中部不用换位，防止了线圈辐向超差，使线圈绕制更紧实。每个器身上下两路的分接线从器身中部引出，便于引线的连接，减少了线圈分接出头的绝缘包扎，提高了生产效率，同时走线更美观。

油箱采用桶式适形结构，如图1所示。固定式片散，箱体上备有吊攀，补气、充油管接头、排油阀和取油样阀。带与变压器高低压室连接孔，减少天然酯绝缘油的使用量。

变压器顶部充氮气，底部与外壳底座相连，带高低压室。高低压套管水平引出，高压套管为插拔式套管，低压套管为瓷套管，不带储油柜。起吊整个变压器的吊攀布置于变压器短轴侧，起吊点高于变压器本体箱盖，便于起吊整个组合式变压器。

1.4 保护优化

熔断器是组合式变压器里必不可少的部件，主要用于对变压器二次侧短路及过负荷等进行保护。由于该项目该产品容量大，现有的单个的后备熔断器以及插入式熔断器已不能达到容量及参数匹配。

设计中通过高压绕组拆分成各50%额定容量的2部分，分别接成D接，再串入后备熔断器+插入式熔断器，之后两路高压绕组再并联成一路经负荷开关引出，突破单组熔断器（插入式+后备）无法满足变压器保护选型的限制，创新了35 kV电压等级大容量光伏发电用组合式变压器整机保护技术方案。

2 主要创新点

2.1 采取双器身技术方案

采用2个磁路上相互独立的三相三柱式铁心，电路：高压双器身并联，每个器身低压双分裂，整台变压器实现低压四分裂，技术方案可靠性高；由于该项目产品容量大、低压输出支路多，并且要装入集装箱运输，产品的外型尺寸受到集装箱尺寸的限制，尤其是高度上，给变压器设计提出了很高的要求。

2.2 耐热纸+FR3油组合高温绝缘系统

采用耐热纸+FR3油的绝缘材料组合方式构建耐高温绝缘系统，使变压器绕组平均温升上限达85 K、油面温升上限达90 K；由于该项目为高温绝缘系统，其温升限值高于常规的A级绝缘产品，达到了绕组85 K，油面90 K。绝缘材料也不同于常规产品，应该选择更高耐热等级的材料。

2.3 高压绕组拆分的新型整机保护技术

高压绕组拆分成各50 %额定容量的2个部分，分别接成D接，再串入后备熔断器+插入式熔断器，之后两路高压绕组再并联成一路经负荷开关引出，突破单组熔断器（插入式+后备）无法满足变压器保护选型的限制，创新了35 kV电压等级大容量光伏发电用组合式变压器整机保护技术方案。

3 实施效果及结论

该项目优化了组合式变压器的器身结构，采用双器身共箱结构，实现了单机容量达到4 000 kVA和低压四路输出的要求，同时，也大大降低了产品高度，使产品可以装入标准集装箱内运输，降低了运输成本。天然酯絕缘油和热改性绝缘纸的采用，构建了变压器耐高温绝缘系统，提高了产品耐热等级。通过对线圈、引线、油箱等结构的优化，使组合式变压器更加紧凑，同时提高了产品的可靠性。配合结构采用单器身选型并联实现整体保护，突破了熔断器的选型局限。

光伏发电用组合式变压器是光伏发电系统中的关键设备，该项目产品与现有技术相比，在损耗、重量、占地面积、安全性能、环保性能等方面全面占优。总损耗降低13.8 %，总重降低43 %，占地面积减小70 %，采用天然酯绝缘油作为冷却介质，具有能自然降解、难燃等突出的优点，是技术水平高、市场前景好的新型产品，满足国内国际光伏行业市场日益增长的需求，发展前景广阔，具有很强的盈利能力。

参考文献

[1]赵义焜，张国强，郭润睿，等.变压器耐高温型匝间绝缘材料的放电特性研究[J].电工电能新技术，2019，38（3）：1-9.

[2]袁乙专，张晓峰，毛启武，等.风力发电组合式变压器用高压限流熔断器爆熔故障的原因分析[J].电气技术，2018，19（8）：63-67.