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风电集电升压设备的主要设计问题

文档作者：邹长春黄荣晖刘燕文档来源：顺特阿海珐电气有限公司		点击数：	更新时间： 2025年02月22日
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风电集电升压设备的主要设计问题
邹长春，黄荣晖，刘燕
（顺特阿海珐电气有限公司，广东佛山528300）
摘要：介绍了国内风电集电升压设备的发展情况及一些主要设计问题的解决方案。
关键词：风电；升压设备；设计
中图分类号：TM402 文献标识码：B 文章编号：1001－8425（2010）10－0005－04
Main Design Problems of Collecting Boost Device
for Wind Power Generation
ZOU Chang-chun, HUANG Rong-hui, LIU Yan
（Sunten Areva Electric Co.,Ltd., Foshan 528300, China）
Abstract：The trend and the solution of main design problems of collecting boost device for
wind power generation at home are presented.
Key words：Wind power； Boost device； Design
1 前言
随着2006 年1 月我国《可再生能源法》的正式
颁布实施,拉开了我国大规模开发风能的序幕，之后
国内风电总装机容量迅猛增长。截至2008 年底总装
机达1 221 万千瓦，同比增长106%（见图1），总装
机容量位列全球第四，2020 年装机3 000 万千瓦的
发展规划目标有望在2010 年提前实现。伴随着风电
建设的突飞猛进， 各种集电升压设备的需求也显著
增长， 我公司作为国内大型风电集电升压设备供应
商，多年来向国内众多风电场提供了数千台产品，积
累了大量的设计和制造经验。为此，本文中笔者将介
绍国内风电集电升压设备的发展概况及集电升压设
备设计中主要问题的解决方案或意见。
2 国内风电集电升压设备发展概况
风电集电升压设备是一种将风力发电机发出的
电能由低电压升高至10kV 或35kV 后汇集到集电
线路上，再经相关配套输电线路接入电网的设备，它
是在传统组合式变压器和预装式变电站基础上根据
风电领域特点发展起来的产品， 近几年在国内各风
电场得到了广泛应用。
2.1 传统风电场集电升压形式
国内早期风电场多采用架空线、户外跌落式熔
断器和10kV 裸(油)变的组合方式，该方式虽然结构
简单、造价低，但相对容易发生熔断管误跌落和熔体
管易烧坏等故障， 环境适应性和可靠性也较
差，并且存在影响风电场景观等问题。
2.2 风电集电升压设备的现状
随着组合式变压器（以下简称美变）和预
装式变电站（以下简称欧变）在我国的迅速发
展和在城市电网中的大规模应用，这两类产品
也被逐步引进到风电场，并快速替代了上述传
统的集电升压方式，使风电场发送电可靠性得
到提高。由于美变升压设备具有成本低、体积
小和环境适应性强等优点， 相比欧变升压设
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
2 000
0
2000
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14 000
装机容量/MW
年份
图1 历年累计装机容量
Fig.1 Installed power capacity every year
TRANSFORMER
第47 卷第10 期
2010 年10 月
Vol.47
October
No.10
2010
第47 卷
备，其目前在风电场的应用更为广泛。另外，由于风
电领域有其自身的特点，如运行环境比较恶劣、风机
年均负载率较低，对集电升压设备提出了耐候性强、
可靠性高和空载损耗低等要求，使过去应用于城市
电网的常规美变和欧变并不能完全相适应。此外，
为减小线路损耗和降低风电场设备投资，许多风电
场纷纷采用35kV 升压设备， 对通常电压等级只有
10kV 的美变和欧变提出了新的要求。因此，为适应
我国风电市场高速发展的需要，一些厂家推出了更
符合风电场特点和需要的风电集电升压设备。
2.3 风电集电升压设备的发展趋
（1）为降低线损及节约设备投资，大多采用35kV
电压等级，并且随着风机制造技术的进步，单机容量
不断增大， 目前国内主流风机容量已提升至
1.5MW， 一些风资源良好且具备运输安装条件的风
电场已开始采用2MW～3MW 的风机，国外近年则有
容量达到5MW 的风机投入运营， 因此风电集电升
压设备的容量也呈增大趋势。
（2）关注产品的节能环保，一些风电场业主已在
考虑采用空载性能突出的非晶合金铁心升压设备。
（3）产品可靠性要求更高，耐候性、环境适应能
力更强，安装操作更简单，维护量更少。
（4）将继续以美变形式为主，欧变形式为辅，在
一些环境条件特殊的风电场，如水库附近，由于必须
考虑对水源的保护等因素，采用配置干变的欧变是
重点考虑的形式。
（5）近海风电是今后风电发展的新领域，应在抗
盐雾、抗湿热、抗霉菌、抗台风、抗震及可靠性等方面
适应新领域的要求。
3 风电场对集电升压设备的要求
3.1 环境适应能力强
风电场多建设在自然环境条件比较恶劣的滩
涂、海岛、戈壁、草原和高地等处，风沙、雨雪、严寒、
强紫外线、重盐雾、高湿度和霉菌等对产品提出了严
峻挑战，因此设备必须能承受住恶劣环境因素的考
验。
3.2 结构简单、可靠性高
集电升压设备虽然价值上不能与风电机组相提
并论，但却扮演着非常重要的角色，其一旦出现故障
停运，将导致风机无法正常发电。因此，可靠的性能
将最大限度地保证正常发电及风电场的经济效益。
针对风电领域的特点及对产品可靠性高的要求，必
须采用合理的电气和结构设计，使产品满足安全、可
靠、安装操作简便及少维护等要求。
3.3 较低的空载损耗
风力发电具有很强的季节性，功率输出不稳定，
由于风力发电机组的年平均负载较低， 将导致升压
设备的负载率较低， 如空载损耗越低， 总的效率越
高，越有利于风场节约运行成本。
3.4 绝缘水平高
由于风速变化﹑风机投切等将引起电网电压闪
变和波动及大气过电压的影响， 因而给集电升压设
备的绝缘带来了很大考验。
4 主要设计问题
针对风电场对集电升压设备的要求， 结合我公
司在集电升压设备方面的设计经验， 笔者对如下主
要设计问题提出了解决方案或意见。
4.1 电气及结构方案
（1）10kV 常规美变的显著特点是高压侧采用了
全绝缘方案， 即采用了全密封可触摸式的电缆附件
及肘型避雷器， 能否在35kV 美变升压设备上也采
用全绝缘方案成为最初设计院和设备厂家考虑的问
题。我公司前期尝试了开发35kV 电压等级可触摸
式电缆附件及肘型避雷器， 遇到的最大问题是不易
控制产品局放， 直至目前国内主要的美变电缆附件
厂家还未能有效解决该问题。因此，大规模推广应用
上述全绝缘方案的条件显然还不成熟。从保证产品
可靠性和经济性出发， 在35kV 美变升压设备上采
用了复合绝缘高压套管的前端带电电气方案， 并通
过双重防护结构实现了高防护等级， 既保证了操作
人员安全，同时也适应了复杂恶劣的环境条件，目前
已在各风场得到了广泛应用。
（2）由于风机一般不会过载且风机本身有完备
的保护，对于美变升压设备，小倍数故障电流可通过
低压过流保护元件进行保护， 高压侧可只采用油浸
后备熔断器，不装过载保护熔断器，这样既有利于减
少产品内部的电气连接点，提高可靠性，也有利于降
低成本。对于采用油浸后备熔断器如何保证在风电
场现场方便更换熔断器的疑问，其实不必过于担忧，
因为后备熔断器通常用于保护变压器内部故障，当
出现大的故障电流时动作。也即如果后备熔断器动
作了，极大可能是变压器内部出现了故障，这种情况
下不能简单地在现场更换熔断器， 通常需将升压设
备返厂进行专业的吊芯检查和处理。
（3）采用熔断器式负荷隔离开关或断路器作为
低压主开关。由于升压设备智能化要求不高，同时考
虑到风场环境条件较为恶劣， 较理想的选择是采用
熔断器式负荷隔离开关， 其结构简单可靠且保护有
6
第10 期 邹长春、黄荣晖、刘 燕：风电集电升压设备的主要设计问题
效，并可在检修时提供可见隔离断口。
（4）关于美变升压设备分箱还是共箱问题，各方
意见争论较多。从美变发源地-北美地区的实际应
用情况看，共箱结构占主流，其能够满足长期运行要
求。对于目前应用最多的35kV 美变升压设备，由于
采用无喷射式灭弧的过载保护熔断器，因此不存在
熔断器灭弧污染变压器油的问题。至于高压负荷开
关，由于很少投切(一般仅在美变升压设备故障须退
出电网的情况下才会操作)，且按设备要求和实际操
作情况看，基本上为空载投切，因此不必过于担忧负
荷开关对油的污染。美变升压设备完全可以采用共
箱结构，并有利于减少产品内部的电气连接点，提高
可靠性。
4.2 防护措施
4.2.1 表面防护
由于风电场通常建设在自然环境条件比较恶劣
的地区，为提高箱体耐候性能，首先要考虑的是针对
不同环境条件采取合理的喷涂工艺，使产品外表涂
层防护持久有效。
（1）对于北方风沙严重的风电场，沙粒击打给设
备表面涂层带来很大威胁，因此要求涂层不仅有良
好防锈功能，而且具有较强硬度及足够厚度。可采
用的方案有:在设备外表面喷涂一层环氧树脂漆，干
膜厚度不小于300μm，烘干后再喷涂一层聚氨酯面
漆，干膜厚度不小于40μm～60μm。
（2）对于南方沿海或近海风电场，主要考虑重盐
雾、雨水(含有酸性腐蚀成分)、湿热及霉菌等因素影
响，必须从油漆品种、涂层厚度和喷涂工艺等方面采
取相应措施， 可采用环氧富锌底漆+中间环氧厚浆
漆+聚氨酯面漆的喷涂方案， 涂层总厚度不小于
280μm。同时片式散热器采用热浸锌+表面淋漆工
艺，最大程度保证片式散热器持久防锈。
（3）此外，采用非金属材料或不锈钢等材料的升
压设备具有较好的环境适应能力。
4.2.2 密封措施
为确保升压设备内部元器件安全，必须在产品
密封结构上采取有效措施，使产品具有较高防护等
级。其方法是设置橡胶条压边的双重密封门结构，
尤其对于风沙和雨雪大的北方风场，升压设备防护
等级可提高到IP54，不设通风窗；对于南方地区风
场，风沙问题不严重，且环境温度较北方高，最好设
通风窗。在提高产品防护等级的同时，必须指出要
兼顾高防护等级与低压单元(产热较大) 的散热问
题，为降低发热量，可适当加大低压母排截面。此外，
较经济的碳钢-水重力热管也值得作进一步应用研
究。
4.2.3 散热片防护
部分北方风电场设在牧区， 为减少外界人为或
牛、羊等动物破坏，最好在升压设备散热片上加设防
护网进行防护。
4.3 损耗设计
风机通过风力推动叶片旋转实现发电， 其对风
速有明确要求，通常风机切入风速约为3m/s，切出
风速约在25m/s 左右，在切入切出风速范围之外，风
机处于不发电状态。由于风的不确定性，使得风机年
均负载率较低，通常在30%～40%左右。因此，可适当
降低升压设备空载损耗值， 同时适当提高负载损耗
值，这样既有利于降低运行成本，也有利于降低升压
设备初始投资。以上为根据风机负载情况提出的一
个设计思路，最终产品设计还应依照合同要求执行。
4.4 故障电流保护
由于风机本身各项保护措施非常完备， 升压设
备主要考虑对自身的保护。对于升压设备,必须考虑
高压与低压保护元件的合理匹配， 特别是当高压采
用全范围熔断器时, 可能出现低压侧小故障电流情
况下， 高压全范围熔断器先动作带来运行维护成本
增高的问题。对于高压设置后备熔断器的保护方式，
由于后备熔断器的保护范围在额定最小开断电流I3
（通常为熔断器额定电流的5 倍）至额定最大开断电
流I1
之间，对于I3
以内故障电流的保护，应通过低
压保护元件来实现，这就更需要作出合理匹配，否则
可能在小故障电流下由于后备熔断器不能有效开断
而导致非常不利的后果。此外需要强调不同厂家同
一电流等级的熔断器可能对应有不同的时间-电流
特性曲线， 熔断器的选用应以时间-电流特性曲线
为依据，不能简单根据额定电流进行选用，同时要实
现高压熔断器与低压保护元件的合理配合， 应做好
动作曲线的匹配分析， 这一点往往被不少厂家设计
人员忽视。
35kV 欧变升压设备目前在高压开关选用上存
在较大限制， 多数厂家采用真空负荷开关-熔断器
组合电器， 至于目前个别厂家为控制成本在欧变升
压设备中采用户外跌落式熔断器的做法， 可靠性和
安全性存在较大问题,不应提倡。
4.5 绝缘设计和过电压保护
由于风电场较特殊的环境条件及风速变化、风
机投切等原因， 加上大气过电压及产生的电网电压
闪变和波动, 给升压设备的绝缘水平带来了很大挑
战。因此，产品的绝缘结构要求合理,且应有充分的
绝缘裕量，其中包括配套的各类元器件。目前个别品
7
第47 卷
牌的低压框架断路器由于绝缘水平不足, 在一些风
场出现了绝缘击穿乃至烧毁的事故。
由于存在过电压及电压闪变和波动, 设计时还
应考虑采取必要的过电压保护措施。通常在高压侧
装设避雷器或其他过电压保护器件， 低压侧过电压
保护以往不太受重视， 但从投运设备实际运行情况
看，增设低压避雷器是必要的。运行经验和试验研究
表明,对于绝缘良好的变压器,仅在高压侧装设避雷
器,仍有发生由于正逆变换过电压造成的雷害事故。
这是因为高压避雷器对于正变换或逆变换过电压是
无能为力的, 加装低压避雷器可将正逆变换过电压
限制在一定范围之内。
关于低压避雷器的参数选取， 相关国家标准或
行业标准只涉及额定电压从0.28kV～0.5kV 范围的
参数，对于低压额定电压通常为0.69kV 的风电升压
设备，在避雷器的选用上需作出恰当考虑。由于升压
设备低压侧为中性点直接接地系统， 避雷器持续运
行电压应基于相电压来考虑， 这一点与中性点不直
接接地或非有效接地系统的高压侧避雷器选取不尽
相同，考虑到一定裕量，低压避雷器持续运行电压可
按Uc= 690
姨3
×1.15=460V、额定电压按Ur=(1.2～1.3)Uc
选取。
此外可选用三相组合式避雷器(俗称“过电压保
护器”或“过电压吸收器”)，其适用于35kV 及以下电
压等级中性点非有效接地系统中， 除可以限制大气
过电压外， 还可以限制常规避雷器所不能限制的操
作过电压，特别是保护了相间及对地过电压，使系统
的保护更加完善。低压侧则还可选用浪涌保护器
(SPD),其不仅具有抑制过电压的功能,还具有分走浪
涌的功能。但是,采用后面介绍的过电压保护器件,对
应造价也将明显增加。
5 结束语
伴随着我国风资源的快速开发利用, 作为风电
场重要设备之一的集电升压设备得到了广泛应用,
许多变压器厂家纷纷加入到升压设备的市场竞争
中,一些厂家由于对风电领域特点不够了解,设计上
存在一些疑点或未能有针对性地进行产品设计,使
产品投运后出现较多的问题。希望通过本文中的介
绍能够提供一些帮助, 呵护好集电升压设备市场,同
时建议行业归口单位制定相应的行业标准， 对风电
升压设备进行规范,引导产品健康有序的发展。
参考文献：
[1] 张国兵，付锡年. 变压器效率曲线及其特征参数[J]. 变
压器，2000，37（6）：18-21.
[2] 尹炼，刘文洲. 风力发电[M]. 北京：中国电力出版社，
2000.
[3] GB50060-1992，3~110kV 高压配电装置设计规范[S].
[4] GB50054-1995，低压配电设计规范[S].
收稿日期：2009-07-15
作者简介：邹长春（1975-），男，江西赣州人，顺特阿海珐电气有限公司工程师，主要从事箱变、油变产品的技术研究工作；
黄荣晖（1975-），男，广西桂林人，顺特阿海珐电气有限公司工程师，主要从事箱变、油变产品的技术研究工作；
刘燕（1969-），女，湖南湘乡人，顺特阿海珐电气有限公司总工程师、高级工程师，长期从事干变产品的技术研
究工作。
姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
变压器制造进入节能环保时代
目前，提高能源利用效率、降低能耗已成为工业发展的
方向，在电网建设的过程中，变压器担当了非常重要的角色。
电力变压器是输送电力的关键电气设备，变压器自耗占电网
损耗的30%~40%。为使变压器有效节能，我国于7 月1 日开
始实施国家强制性标准《电力变压器能效限定值及能效等
级》。中国标准化研究院高级工程师赵跃进先生表示：“在完
成变压器的新老更替后，以变压器的经济运行期（20 年）测
算，累计可节约700 亿千瓦时用电量，折合标准煤3 200 万
吨，可减少二氧化碳排放量6 900 万吨，减少二氧化硫排放
量390 万吨。此举将提高电力变压器在国际市场的竞争力”。
对变压器制造商而言， 将节能环保理念融入产品设计、
原材料、制造工艺，为客户提供绿色产品，已经是产品发展的
必由之路。
变压器的节能环保，一方面要求有效降低运行中的能耗
和噪声，另一方面应最大限度降低铜、铁、油、绝缘件等原材
料的使用，避免不可再生资源的过度浪费。如在设计过程中
准确计算变压器的各种技术参数，优选铁心和导线，确定合
适的铜铁比例，使导线产生较小的涡流，铁心和结构件的附
加损耗尽量控制在较低水平。这样可以有效减少铜和硅钢片
的使用量，同时降低负载损耗。选用高导磁、低损耗的进口优
质硅钢片制造铁心，则可从原材料上保证变压器具有较低的
空载损耗和低噪声性能。此外，先进工艺也是制造节能环保
变压器必不可少的。如合理的绕组设计、先进的密封结构设
计等。
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