海上風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)能穩(wěn)定、運(yùn)行效率高、不占土地、適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。探索遠(yuǎn)距離、大容量的經(jīng)濟(jì)高效輸電方式，是我國(guó)未來(lái)海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵。
目前適合遠(yuǎn)距離輸電的方式有三種，分別為工頻高壓交流輸電、高壓直流輸電和分頻輸電。其中，分頻輸電方式兼?zhèn)淞似渌麅煞N輸電方式的優(yōu)點(diǎn)：相比高壓交流輸電方式傳輸損耗低；相比直流輸電方式建設(shè)成本低，在80km～200km距離內(nèi)輸電更具經(jīng)濟(jì)性。然而分頻輸電改變了輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)——頻率，會(huì)對(duì)輸電系統(tǒng)中的變壓器等設(shè)備的電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。陳飛等研究人員提出了低頻率下變壓器的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)。
低頻下硅鋼材料性能測(cè)試
研究人員根據(jù)頻率對(duì)變壓器的影響，提出了頻率50/3Hz下變壓器的特點(diǎn)和其性能參數(shù)的計(jì)算方法，并通過(guò)測(cè)試頻率50/3Hz下硅鋼材料的特征曲線(xiàn)，提出了鐵心設(shè)計(jì)的思路。
鐵心是變壓器的磁路，其材料磁性能直接影響變壓器正常工作時(shí)的電氣特性，進(jìn)而影響變壓器的性能，而表征鐵心材料磁性能很重要的一項(xiàng)指標(biāo)就是磁化特性。由于硅鋼材料存在磁飽和現(xiàn)象，應(yīng)使鐵心最大工作磁密不超過(guò)飽和磁密，所以變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)了解硅鋼材料的磁化特性。
另外，計(jì)算變壓器空載電流和空載損耗時(shí)，還需硅鋼材料的單位激磁功率和單位鐵損。通常硅鋼片廠(chǎng)家僅提供50Hz和60Hz常用頻率下的磁化特性曲線(xiàn)、單位激磁功率曲線(xiàn)和單位鐵損曲線(xiàn)，所以低頻率下的磁化特性曲線(xiàn)、單位激磁功率曲線(xiàn)和單位鐵損曲線(xiàn)需進(jìn)行測(cè)試。硅鋼片單位鐵損由磁滯損耗、經(jīng)典渦流損耗和異常渦流損耗三部分組成。
其中磁滯損耗與頻率成正比，經(jīng)典渦流損耗與頻率的平方成正比，而異常渦流損耗與頻率關(guān)系不明確。另外硅鋼片牌號(hào)不同，三部分占比也不同，50/3Hz下硅鋼材料的單位鐵損與50Hz下的比值也不是定值。所以，低頻率下硅鋼片單位鐵損只能依靠測(cè)試獲得。
低頻下鐵心設(shè)計(jì)
GB 1094.1《電力變壓器第1部分：總則》中規(guī)定應(yīng)考慮10%的過(guò)勵(lì)磁，根據(jù)硅鋼片的測(cè)試結(jié)果得出額定電壓下的最大工作磁密Bm不應(yīng)超過(guò)1.91/1.1=1.737T，與50Hz下基本相同。同時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁涌流分析頻率為50Hz變壓器空載合閘時(shí)，存在磁通突變，引起勵(lì)磁涌流，50/3Hz變壓器的激磁涌流小于50Hz變壓器的激磁涌流。
另外，由于低頻下，變壓器負(fù)載損耗一般偏大，即變壓器的繞組直阻大，磁通暫態(tài)分量衰減加快，進(jìn)一步有助于減小激磁涌流的幅值和衰減時(shí)間。因此鐵心裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般頻率為50/3Hz變壓器的體積和重量約為50Hz的2倍，鐵心裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參考變壓器3倍容量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
同時(shí)研究人員還根據(jù)測(cè)試頻率50/3Hz下絕緣材料的介電常數(shù)，提出了50/3Hz下的絕緣結(jié)構(gòu)。研究人員認(rèn)為：
（1）頻率降低對(duì)變壓器鐵心的影響最大，通過(guò)增加鐵心截面積或/和繞組匝數(shù)確保鐵心在1.1倍額定電壓下，最大工作磁密不飽和，導(dǎo)致變壓器體積和重量增加。考慮綜合成本，可適當(dāng)降低變壓器效率。
（2）當(dāng)磁密大于1.55T（一般變壓器磁通大于1.55T）時(shí)，50/3Hz下的磁導(dǎo)率與50Hz下的基本相同。所以，50/3Hz下鐵心的飽和磁密與50Hz下的基本相同。
（3）50/3Hz的變壓器激磁涌流幅值和衰減時(shí)間都比50Hz下的要小。
（4）50/3Hz下變壓器油和絕緣紙板（浸油）的介電常數(shù)比50Hz下的略有上漲，但可忽略。頻率50/3Hz的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參照50Hz下的進(jìn)行。
