新能源風機干式變壓器直流電阻三相失衡問題研究

摘" 要：風能作為一種可再生、無污染的清潔能源，在日益枯竭的化石燃料的沖擊下，在人類加倍關(guān)注全球環(huán)境惡化的情況下，為解決經(jīng)濟社會進步、資源環(huán)境協(xié)調(diào)、風能發(fā)電等問題投入了大量資金，開發(fā)新能源和可再生能源。因為沒有油，就不會產(chǎn)生起火、爆炸、污染等問題，損耗和噪聲都降到了一個新的水平，所以風機中的一個重要設(shè)備就是干式變壓器，它廣泛應(yīng)用于新能源風機的發(fā)電系統(tǒng)中。干式變壓器直流電阻檢查要求在預(yù)防性試驗規(guī)范中進行。變壓器直流電阻不均衡率的高低對其性能的影響至關(guān)重要。直流電阻試驗是為了防止繞組導(dǎo)線斷裂、接頭焊接、接觸不良、匝間短路等問題在運輸、安裝和運行過程中發(fā)生，檢查繞組質(zhì)量和回路完整性。干式變壓器的直流電阻不平衡率，也影響著正常運行中變壓器高低壓側(cè)電流、電壓等數(shù)據(jù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：直流電阻;不均衡率;絕緣;電流;干式變壓器

中圖分類號：TM412" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0144-04

Abstract： As a renewable， pollution-free clean energy source， wind energy has invested heavily in solving problems such as economic and social progress， resource and environmental coordination， and wind energy power generation under the impact of increasingly exhausted fossil fuels and as mankind pays more attention to the deterioration of the global environment. A large amount of money has been invested to develop new and renewable energy sources. Because there is no oil， there will be no problems such as fire， explosion， and pollution， and loss and noise have been reduced to a new level. Therefore， an important equipment in the wind turbine is the dry-type transformer， which is widely used in the power generation system of new energy wind turbines. The DC resistance inspection of dry-type transformers is required to be carried out in the preventive test specifications. The imbalance rate of DC resistance of a transformer is crucial to its performance. The DC resistance test is to prevent problems such as winding wire breakage， joint welding， poor contact， and inter-turn short circuits from occurring during transportation， installation and operation， and to check the winding quality and circuit integrity. The DC resistance imbalance rate of dry-type transformers also affects data parameters such as current and voltage on the high and low voltage sides of the transformer during normal operation.

Keywords： DC resistance; imbalance rate; insulation; current; dry-type transformer

近年來，在國家政府、發(fā)電商、電網(wǎng)公司、各用電單位新時期提出的“雙碳”目標等多方努力下，中國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可謂風起云涌。伴隨著常規(guī)機組被大量的新能源發(fā)電機組替代，新的挑戰(zhàn)再次出現(xiàn)在新能源發(fā)展面前。

電能質(zhì)量耐受標準相對較低的新能源發(fā)電設(shè)備包含數(shù)千種電力、電子和機械設(shè)備。因此，當系統(tǒng)電壓、頻率、波形出現(xiàn)較大波動時，風機設(shè)備的各項參數(shù)都會隨之發(fā)生變化;另一方面，風機設(shè)備的運行年數(shù)逐年增加，設(shè)備老化問題也越來越嚴重，設(shè)備的可靠性也在不斷下降，這就是風機設(shè)備的老化問題越來越嚴重的原因。

新能源風機干式變壓器運行穩(wěn)定性與風機發(fā)電機、變頻器等相關(guān)重要設(shè)備的安全運行直接相關(guān)。作為風機上的重要設(shè)備之一，圍繞風機運行過程中受到新能源風機干式變壓器三相直流電阻失衡的影響進行論述。

1" 風機干式變壓器的基本原理

1.1" 風機干式變壓器概況

干式變壓器的作用是為了輸送所有由風力發(fā)電機產(chǎn)生或消耗的電力，而改變發(fā)電機電壓以適應(yīng)中壓電網(wǎng)的電壓。本文以歌美颯G8X型號風機應(yīng)用的干式變壓器為例（型號：ABB-2350/36-Dyn11），圖1為變壓器實際安裝位置。

歌美颯G8X變壓器系統(tǒng)由以下元件組成：變壓器器件;自動控制閥;溫度探測器 PT100;變壓器保護設(shè)備：含電弧探測器，無極繼電器，熔斷器，聯(lián)鎖裝置;風扇裝置;機械固定錨點;抑制共振的濾波式電阻器。

為了安全考慮，變壓器設(shè)計在與其他設(shè)備相獨立的設(shè)備間內(nèi)。設(shè)備間的進出使用保護開關(guān)設(shè)備的接地電路斷路器通過機械式聯(lián)鎖裝置進行限制。

變壓器通過一根由熔斷器保護的撓性電纜連接到相關(guān)設(shè)備，通過一根三極電纜接至位于塔架下部的環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)設(shè)備。通過金屬氧化物自動閥對變壓器進行過壓保護。熔斷器位于低壓部分（690 V）的變壓器次級線圈中，保護機器不遭受因過電流或者短路引起的變壓器故障。熔斷器能保護變壓器與電氣柜的連接，以及其他自動保護裝置（如FG2、FG5和FG8）在電氣柜內(nèi)接線。當熔斷器熔斷時，信號被發(fā)送給中壓開關(guān)設(shè)備使之觸發(fā)，從而避免更為嚴重的問題。根據(jù)變壓器的配置，三相線路的熔斷器斷開電路，從而防止設(shè)備以單相繼續(xù)運行。

當繞組溫度超過130 ℃時，通過PT-100傳感器激活6個風扇;風扇在溫度達到120 ℃以下時停止使用。PLC還可以利用這一溫度激活機艙內(nèi)的各種加熱和冷卻元件，從而觸發(fā)報警器，使風機在變壓器的任意繞組溫度超過155 ℃時切換到 PAUSE（STOP）模式。該報警在上述溫度下降5 ℃之前不會停止。當溫度超過165 ℃時，報警器被觸發(fā)，風電機組將切換到EMERGENCY（急停）模式。

1.2" 直阻測量風機干式變壓器

變壓器的主要參數(shù)之一是測量變壓器繞組直流電阻。該裝置能有效地檢測缺陷故障，如繞組匝間短路，斷股繞組，分接開關(guān)的接觸狀態(tài)，導(dǎo)線電阻的差異，接頭處的不良接觸等。檢測各相繞組直流電阻是否平衡，調(diào)壓開關(guān)擋位正確，也是一種有效的檢測方法。

國家標準GB/T 10228—2015《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》中6.2.1條對干式變壓器（配電變除外）的要求作了規(guī)定。中性點引出時繞組電阻不均衡率不大于2%（上線不大于2%）。同時，標準中還明確規(guī)定，直流電阻不均衡率如因線材、引線結(jié)構(gòu)等原因超過上述規(guī)定數(shù)值時，除需將實際數(shù)值記錄在出廠試驗記錄中外，還應(yīng)注明出現(xiàn)此類偏差的原因。但是，現(xiàn)在不少用戶強烈要求變壓器生產(chǎn)廠家符合標準規(guī)定的限值要求，對這一標準條款的理解還不夠清晰。由于結(jié)構(gòu)限制，需要投入較高的材料成本，才能滿足標準限值要求的容量在1 000 kVA以上的大型干式變壓器。干式配電變壓器容量隨著變壓器材料性能的提高和制造水平的提高，顯著超出標準限制的2 500 kVA，外接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電阻失衡的問題進一步凸顯。

2" 干變直流電阻失衡原因分析

2.1" 繞組線材原因

繞組電阻主要反映了標準GB/T 10228—2015《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》中提到的線材原因。由于線材截面、電阻率、繞制導(dǎo)線長度等誤差，使繞組電阻發(fā)生變化，從而引起變壓器三相電阻不平衡的現(xiàn)象。

因為高電壓繞組的匝數(shù)多，導(dǎo)線長，截面小，所以阻力大。相對于線材造成的阻值誤差而言，三相阻值失衡的沖擊要小一些。因為低壓繞組匝數(shù)少，導(dǎo)線短，截面積大，其電阻值小。由于低壓繞組線材造成的三相電阻失衡，更顯著地影響著系統(tǒng)電流。

2.2" 零線排引起的電阻不平衡

干式配電變壓器具有容量大、低壓繞組電阻小等特點，但其產(chǎn)品外形尺寸較大、零線排長較長。而這樣的設(shè)計造成變壓器三相電阻失衡，其中零線排造成的電阻影響是最主要的原因。如圖2所示的低壓繞組及零線排電阻回路。

圖2中，Ra、Rb、Rc分別指低壓繞組a、b、c三相電阻，三者數(shù)值相等;R1表示在零線上的直流電阻，在b和c之間。R2表示零線排直流電阻，在b和a之間;R0表示銅排直流阻，在0至a之間。

以ABB-2350/36-DYN11干式變壓器為例，根據(jù)零線排布的分布規(guī)律，我們已經(jīng)知道了這一點。Ra=Rb=Rc=447 μΩ。得

R1=R2=12.18 μΩ，

R0=4.06 μΩ。

最大阻值不均衡率按圖2電路計算為

R=（Ra0+Rb0+Rc0）/3=[（Ra+R0）+（Rb+R2+R0）+（Rc+R1+R2+R0）]/3，

Δr=ΔR/R=（Rmax-Rmin）/（Ra0+Rb0+Rc0）/3=24.36/463.24=5.26%，

式中：ΔR為最大值與最小值之差;R為三相電阻平均值。

通過上述計算能夠得出如下結(jié)論：在干式變壓器采用零線排放的情況下，其電阻不均衡率超出了國家標準規(guī)定的4%這一限值。由此可見，零線排對三相電阻失衡產(chǎn)生更大影響這一情況，在大容量干式配電變壓器中表現(xiàn)得更為突出。

2.3" 零線排引起電阻不平衡對變壓器的影響

以圖2為例，以a繞組為例，各繞組電阻損失的計算過程是

Pa=I2Ra+I02R0。

按照上述式子進行推導(dǎo)可知，a相繞組上所消耗的電阻損耗值為R，而其余的電阻損耗則消耗在繞組之外的銅排上。

結(jié)合前面的計算能夠得出，繞組的溫升并不會受到零線排電阻的影響。這是因為變壓器繞組自身的電阻值并沒有出現(xiàn)變化，所以由零線排所引起的電阻不平衡，對變壓器二次電壓不平衡率產(chǎn)生的影響相對較小，在實際情況中可將其忽略不計。

2.4" 外負載影響變壓器電阻失衡

變壓器在低壓供電系統(tǒng)中將10 kV或6 kV電壓轉(zhuǎn)換成380 V/220 V電壓向用戶供電。因為電力的使用特點和負荷的波動等因素，變壓器在運行中通常會面臨三相負荷不平衡的情況。若變壓器在三相負荷失衡的條件下運行，則會造成變壓器三相溫升不均，進而產(chǎn)生三相繞組電阻及輸出電壓的不均。

假定變壓器三相負荷平均為額定負荷的70%。其中，最大相位負載為平均三相負載的110%，最小相位負載為平均三相負載的90%。根據(jù)計算結(jié)果，干式變壓器在三相負荷失衡的情況下，由于線材和引線結(jié)構(gòu)（如零線排、側(cè)出線）造成的電阻失衡，會使干式變壓器的三相電阻失衡，從而造成變壓器內(nèi)部失衡。

但是，在風力發(fā)電機組的電力主回路中，變頻器會實時監(jiān)測三相電壓、負荷的平衡率，保證三相負荷平衡。因此，不會出現(xiàn)由于三相電壓或負荷失衡造成的三相電阻失衡現(xiàn)象。

3" 結(jié)論

通過上述分析可得出的結(jié)論如下。

當干式變壓器的線材致使三相電阻不均衡率超出國家標準規(guī)定的限值時，其對干式變壓器三相繞組溫升的影響，要比不均衡率在規(guī)定值內(nèi)時更大。不過，相對而言，其對輸出電壓不均衡的影響程度要低一些。所以，由線材引起的三相繞組電阻失衡問題，必須得到變壓器制造廠家的高度重視。當干式變壓器三相電阻不均衡率超過國家標準限值時，這種情況很可能是引線結(jié)構(gòu)中零線排出所導(dǎo)致的，但這種電阻不平衡對變壓器三相繞組的溫升影響不大，對輸出電壓不平衡的影響也微乎其微。

因此，如果因引線結(jié)構(gòu)等原因?qū)е轮绷麟娮璨痪饴食^標準限值，我們要求廠家在出廠測試記錄時，不僅要對實際數(shù)值進行詳細記錄，還要對差異產(chǎn)生的原因作出明確說明。

由于干式變壓器三相繞組溫度升高存在較大差異，若三相負荷不平衡，有可能導(dǎo)致其電阻不平衡超過國家標準規(guī)定的限值，并且這一因素的影響遠比結(jié)構(gòu)性因素的影響更大。三相負荷失衡對變壓器影響最大的方面是二次電壓失衡。不過，在風力發(fā)電機組中應(yīng)用的干式變壓器不會因為負荷不平衡而出現(xiàn)不平衡溫升的情況。

4" 結(jié)束語

隨著我國風電裝機規(guī)模的逐年增加，將清潔能源發(fā)電視為電網(wǎng)未來規(guī)劃的重要方向之一，風電機組中大量應(yīng)用干式變壓器，變壓器的安全穩(wěn)定運行，對機組運行的影響十分重要。

本文簡明扼要地介紹了干式變壓器在風力發(fā)電機組中所起到的重要作用，研究了新能源風機干式變壓器三相直流電阻不平衡的原因，變壓器直流電阻不平衡率的控制是一個系統(tǒng)的全面的工程，通過生產(chǎn)實踐總結(jié)出的經(jīng)驗對變壓器的溫度運行起到至關(guān)重要的作用，在設(shè)備干式變壓器運行的全壽命周期要加以重視，定期測量變壓器直流電阻不平衡率，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1] 蔡定國，楊祥江.干式變壓器三相直流電阻不平衡的研究[J].變壓器，2014，51（5）：45-49.

[2] 蘇潤增.如何減少電力變壓器的損耗[J].商品與質(zhì)量，2016（50）：374-375.

[3] 顧林春.變壓器直流電阻試驗不平衡率超標原因分析及處理[J].電子世界，2018（12）：84，86.

[4] 范建喜.烏海電網(wǎng)電力變壓器故障診斷與分析[D].保定：華北電力大學(xué)，2012.

[5] 馬雯.三相繞組的位置對低壓電阻最大不平衡率的重要性[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2018（20）：3624.

[6] 曲慧.改進的遺傳算法在變壓器優(yōu)化設(shè)計中的研究與應(yīng)用[D].沈陽：東北大學(xué)，2010.

[7] 彭鶴.深水ROV動力傳輸及供配電系統(tǒng)研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[8] 王燦.變壓器集成濾波理論與應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2015.

[9] 楊茂濤.變壓器容量測試儀校驗方法的研究[J].湖南電力，2012（1）：17-19.

[10] 張英杰.適用于高海拔地區(qū)的非晶合金干式變壓器研究與設(shè)計[D].青島：山東科技大學(xué)，2019.

[11] 張凌宇.變壓器節(jié)能——節(jié)能變壓器市場發(fā)展綜述[J].電氣制造，2012（2）：24-29.

第一作者簡介：馬進（1990-），男，工程師。研究方向為電氣工程。