Eine vereinfachte Konfiguration von Windturbinen mit amerikanischen kastenförmigen Transformatoren

Windenergie als erneuerbare und saubere Energiequelle hat eine vergleichsweise reifere Technologie und erlebt in den letzten Jahren in China eine rasche Entwicklung. Es wird geschätzt, dass bis 2010 die installierte Leistung 1,8×10⁴ MW erreichen wird. Windkraftanlagen zeichnen sich durch kurze Bauzeiten, schnelle Ergebnisse und die kosteneffizientesten Vorteile aus. Normalerweise dauert es nur etwa ein Jahr, um einen 50-MW-Windpark zu bauen. Nach der Fertigstellung sind die Betriebskosten gering, und die Wartungsarbeit ist relativ klein.

Übersicht über die für Windparks ausgewählten Spannungssteigertransformer

Jede Windkraftanlage ist mit einem Spannungssteigertransformator ausgestattet, der verwendet wird, um die erzeugte Spannung (0,69 kV) zu steigern und sie an die inneren Sammelleitungen des Windparks anzuschließen. Die Verkabelung erfolgt im "Ein-Maschine-Ein-Transformator"-Modus. Die Sammelleitungen werden über die Spannungssteigerstation des Windparks an das Stromnetz angeschlossen. Derzeit werden hauptsächlich drei Arten von Transformern ausgewählt: herkömmliche Ölfüll-Transformator (weniger gebräuchlich), europäische vorgefertigte Umspannwerke und amerikanische vorgefertigte Umspannwerke (auch als amerikanische Kasten-Umspannwerke bezeichnet). Dabei werden aktuell häufiger amerikanische Kasten-Umspannwerke eingesetzt.

Im Vergleich zu europäischen vorgefertigten Umspannwerken haben amerikanische Kasten-Umspannwerke die Vorteile einer kompakten Struktur, vollständigen Abdichtung, kleineren Volumens, Verwendung von Ellbogen-Kabelsteckern, Fehlen von Gas-Schutz und einfacher Bedienung und Wartung. Amerikanische Kasten-Umspannwerke werden hauptsächlich in städtischen Verteilnetzen, wie Wohngebieten, Industrieparks, Geschäftszentren und anderen Versorgungsstellen, eingesetzt. In den letzten Jahren finden sie weite Verwendung als Spannungssteigertransformer für Windkraftanlagen. Ihr typisches elektrisches Schaltbild (im Wesentlichen identisch mit dem in Verteilnetzen angewendeten) ist in Abbildung 1 dargestellt. Gemäß den Anforderungen des Verteilnetzes sind amerikanische Kasten-Umspannwerke mit folgenden entsprechenden Schutzeinrichtungen ausgestattet:

• Ölgetränkte Steckfuse, die bei Kurzschlussfehlern auf der Niederspannungsseite des Transformators auslösen;

• Ölgetränkte strombegrenzende Sicherungen, die bei Kurzschlussfehlern auf der Hochspannungsseite innerhalb des Transformators schnell auslösen, um den Transformator abzuschalten und die Ausbreitung des Unfalls zu verhindern.

• Ein dreiphasiges gekoppeltes Lastschalter, der in Öl getränkt ist und den Transformator unter Last schließen kann;

• Ein intelligenter Schütz (oder Sicherungsschalter), hauptsächlich zur Schutz der Lastseite.

Vereinfachung der Schutzausstattung von amerikanischen Kasten-Umspannwerken

Vereinfachungsprinzipien

Ein amerikanischer Transformator bezieht sich auf einen Transformator, der die grundlegenden Merkmale eines amerikanischen Kasten-Umspannwerks beibehält, wie seine Struktur, Wellenblech-Radiatoren, Fehlen von Gas-Schutz, Druckablassventilen und strombegrenzenden Sicherungen. Allerdings werden die Schutzeinrichtungen vereinfacht. Basierend auf der Zusammenfassung der Erfahrungen im Windkraftbetrieb werden einige Komponenten seines Netzsicherheitssystems entfernt, wodurch es ein speziell für Windkraft genutzter Transformator wird.

Vereinfachte Schutzausstattung

Es ist technisch möglich, die Netzsicherheitskomponenten von amerikanischen Kasten-Umspannwerken, die in Windparks eingesetzt werden, zu entfernen. Die Sammelleitungen sind mit zuverlässigen Schutzeinrichtungen (installiert in der Spannungssteigerstation) ausgestattet. Die Sammelleitungen müssen an die Spannungssteigerstation angeschlossen werden, und nach der Spannungserhöhung werden sie an das System angeschlossen. Die Spannungssteigerstation setzt für jede Sammelleitung jeweils eine Leitungssicherung ein. Der Schutzumfang erstreckt sich nicht nur auf die Sammelleitungen, sondern auch auf die Kasten-Umspannwerke und die Windkraftanlagen. Sobald auf einer bestimmten Leitung ein Kurzschluss oder andere Störungen auftreten, greift die Leitungssicherung und trennt diese Leitung. Die Windkraftanlagen sind mit einem vollständigen Satz von Netzsicherungseinrichtungen (installiert in der Bodensteuerungskabine) ausgestattet. Sobald ein Netzstörung oder eine Abnormität auftritt, greift die Windkraftanlagen-Sicherung und trennt die Windkraftanlage (hier bezieht sich das Netz auf das Sammelleitung- und Kasten-Umspannwerk-System). Tabelle 1 zeigt den vom Hersteller der Windkraftanlagen festgelegten Netzsicherung.

Die Schutzausstattung einiger Kasten-Umspannwerke ist vergleichsweise einfach. Ihre Schutzfunktionen sind weit unter denen der Sammelleitungssicherung und der Windkraftanlagen-Sicherung, und sie bilden redundante Kreuzschutz. Daher ist die in Kasten-Umspannwerken konfigurierte Netzsicherung unnötig und kann entfernt werden. Der Schutzumfang und die Funktionen intelligenter Schütze können vollständig durch die Netzsicherung der Windkraftanlagen ersetzt werden. Gleichzeitig hilft das Entfernen einiger unnötiger Komponenten, wie Ladungsschalter und Steckfusen, dabei, potenzielle Unfallpunkte zu reduzieren und die Betriebssicherheit der Ausrüstung zu verbessern.

Schutzeinstellungen vereinfachter amerikanischer Kasten-Umspannwerke

Um sicherzustellen, dass die vereinfachten amerikanischen Kasten-Umspannwerke den Betriebsanforderungen von Windparks entsprechen, organisierte das Elektroforschungsinstitut von Jilin Electric Power Co., Ltd. 18 Experten von Jilin Electric Power Co., Ltd., Beijing Sifang Micro-Electronic Co., Ltd., Datang Jilin Company und anderen Einheiten, um die Konfiguration der vereinfachten amerikanischen Kasten-Umspannwerke sorgfältig zu demonstrieren und zu prüfen. Es wurde anerkannt, dass das vereinfachte amerikanische Kasten-Umspannwerk ein spezieller Transformator für Windkraft ist, entwickelt auf Basis der Aufarbeitung der Technologie amerikanischer Kasten-Umspannwerke. Technologisch erfüllt es vollständig die Anforderungen für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Windkraftanlagen, bietet gute wirtschaftliche Vorteile und kann in Windparks weit verbreitet und eingesetzt werden. Die Konfiguration des vereinfachten amerikanischen Kasten-Umspannwerks ist in Abbildung 2 dargestellt.

Technische und wirtschaftliche Analyse

Die meisten Windparks nutzen derzeit die ursprünglich entworfenen amerikanischen Kasten-Umspannwerke, deren komplexe Schutzfunktionen nicht für Windkraftsysteme geeignet sind. Die Verwendung vereinfachter amerikanischer Kasten-Umspannwerke kann die Gerätekosten erheblich senken und gute soziale und wirtschaftliche Vorteile bringen. Vorläufige Berechnungen zeigen, dass die Kosten pro Einheit um etwa 30.000 Yuan reduziert werden können.

Durch das Entfernen einiger unnötiger Komponenten wie Ladungsschalter, Steckfusen und intelligente Schütze wird die Anzahl der potenziellen Unfallpunkte reduziert, was die Wahrscheinlichkeit von Unfällen erheblich verringert. Der Betrieb ist einfach, bequem, sicher und zuverlässig, und die Wartungsarbeit wird stark reduziert. Vereinfachte amerikanische Kasten-Umspannwerke wurden in einigen Windparks in der Provinz Jilin eingesetzt und brachten offensichtliche soziale und wirtschaftliche Vorteile.