پیکربندی ساده توربین‌های بادی مجهز به ترانسформاتورهای جعبه‌ای آمریکایی
بیش از دهه‌ای است که تولید برق با باد به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک، فناوری نسبتاً متداولی در چین شده است. برآورد می‌شود که تا سال ۲۰۱۰ ظرفیت نصب شده کل به ۱.۸×۱۰⁴ MW خواهد رسید. تولید برق با باد با چندین مزیت قابل توجه همراه است، از جمله دوره ساخت کوتاه، نتایج سریع و مزایای اقتصادی. معمولاً تنها حدود یک سال طول می‌کشد تا یک مزرعه بادی ۵۰ MW را بسازند. پس از تکمیل، هزینه عملیاتی آن کم است و حجم کار نگهداری و تعمیر نسبتاً کم است.
مروری بر ترانسفورماتورهای افزایش ولتاژ انتخاب شده برای مزارع بادی
هر واحد توربین بادی با یک ترانسفورماتور افزایش ولتاژ مجهز می‌شود که برای افزایش ولتاژ تولید شده (۰.۶۹ kV) و اتصال آن به خطوط جمع‌آوری داخلی مزرعه بادی استفاده می‌شود. الگوی اتصال "یک دستگاه - یک ترانسفورماتور" برای سیم‌کشی اتخاذ شده است. خطوط جمع‌آوری از طریق زیرстан افزایش ولتاژ مزرعه بادی به شبکه برق متصل می‌شوند. در حال حاضر، ترانسفورماتورهای انتخاب شده عمدتاً شامل سه نوع هستند: ترانسفورماتورهای روغنی معمولی (کمتر مورد استفاده)، زیرستان‌های پیش‌ساخته اروپایی و زیرستان‌های پیش‌ساخته آمریکایی (که به آنها زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی گفته می‌شود). از بین آنها، زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی در حال حاضر بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در مقایسه با زیرستان‌های پیش‌ساخته اروپایی، زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی مزایای ساختار فشرده، ختم شدن کامل، حجم کوچک، استفاده از پلاگ‌های کابلی دانه‌ای، عدم وجود محافظ گازی و عملکرد و نگهداری آسان دارند. زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی عمدتاً در شبکه‌های توزیع شهری مانند مناطق مسکونی، پارک‌های صنعتی، مراکز تجاری و سایر مکان‌های تأمین برق استفاده می‌شوند. در سال‌های اخیر، آنها به طور گسترده‌ای به عنوان ترانسفورماتورهای افزایش ولتاژ همراه توربین‌های بادی استفاده می‌شوند. طرح سیم‌کشی الکتریکی معمول آنها (به طور اساسی مشابه آنچه در شبکه توزیع استفاده می‌شود) در شکل ۱ نشان داده شده است. بر اساس نیازهای شبکه توزیع، زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی با محافظ‌های زیر مجهز شده‌اند:
فیوز‌های پلاگی روغنی که در صورت رخ دادن خطای کوتاه مداری در طرف ولتاژ پایین ترانسفورماتور منفجر می‌شوند؛
فیوز‌های محدودکننده جریان روغنی که در صورت رخ دادن خطای کوتاه مداری در طرف ولتاژ بالایی داخل ترانسفورماتور سریعاً منفجر می‌شوند و ترانسفورماتور را قطع می‌کنند تا از گسترش حادثه جلوگیری شود.
سوئیچ بار سه‌فازی متصل شده به هم و غوطه‌ور در روغن که می‌تواند عملیات بستن ترانسفورماتور با بار را انجام دهد؛
مدارکننده هوشمند (یا سوئیچ جداکننده فیوزی) که عمدتاً برای محافظت از طرف بار استفاده می‌شود.
ساده‌سازی پیکربندی محافظ‌های زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی
اصول ساده‌سازی
ترانسفورماتور آمریکایی به معنای ترانسفورماتوری است که ویژگی‌های اساسی یک زیرستان جعبه‌ای آمریکایی مانند ساختار، رادیاتورهای موج‌دار، عدم وجود محافظ گازی، شیرهای رهاکننده فشار و فیوز‌های محدودکننده جریان را حفظ می‌کند. با این حال، دستگاه‌های محافظ آن ساده‌سازی می‌شوند. بر اساس خلاصه تجربیات عملیاتی انرژی بادی، برخی اجزای محافظ شبکه آن حذف شده و به یک ترانسفورماتور اختصاصی برای انرژی بادی تبدیل می‌شود.
پیکربندی محافظ ساده‌شده
از لحاظ فنی ممکن است که اجزای محافظ شبکه را از زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی که در انرژی بادی استفاده می‌شوند حذف کنیم. خطوط جمع‌آوری با دستگاه‌های محافظ قابل اعتماد مجهز شده‌اند (نصب شده در زیرستان افزایش ولتاژ). خطوط جمع‌آوری باید به زیرستان افزایش ولتاژ متصل شوند و پس از افزایش ولتاژ، به سیستم متصل شوند. زیرستان افزایش ولتاژ محافظ خطی برای هر خط جمع‌آوری تعیین می‌کند. محدوده محافظت نه تنها خطوط جمع‌آوری را پوشش می‌دهد بلکه به زیرستان جعبه‌ای و توربین‌های بادی نیز گسترش می‌یابد. در صورت رخ دادن خطای کوتاه مداری یا خطاهای دیگر در یک خط خاص، محافظ خط عمل می‌کند و آن خط را قطع می‌کند. توربین‌های بادی با مجموعه کاملی از دستگاه‌های محافظ شبکه مجهز شده‌اند (نصب شده در کابین کنترل زمینی). در صورت رخ دادن خطای شبکه یا ناهماهنگی، محافظ توربین عمل می‌کند و توربین را قطع می‌کند (در اینجا، شبکه به خط جمع‌آوری و سیستم زیرستان جعبه‌ای اشاره دارد). جدول ۱ محافظ‌های شبکه تعیین شده توسط سازنده توربین بادی را نشان می‌دهد.
برخی از پیکربندی‌های محافظ زیرستان‌های جعبه‌ای نسبتاً ساده هستند. قابلیت‌های محافظتی آنها به طور قابل توجهی کمتر از محافظ خط جمع‌آوری و محافظ توربین بادی است و محافظت‌های متقاطع اضافی ایجاد می‌کنند. بنابراین، محافظ شبکه که در زیرستان‌های جعبه‌ای مجهز شده‌اند unnecesary است و می‌توان آنها را حذف کرد. محدوده و قابلیت‌های محافظتی مدارکننده‌های هوشمند کاملاً می‌توانند توسط محافظ شبکه توربین بادی جایگزین شوند. همچنین، حذف برخی از اجزای unnecesary مانند سوئیچ‌های بار و فیوز‌های پلاگی به کاهش نقاط احتمالی حادثه و بهبود قابلیت اطمینان عملیاتی دستگاه‌ها کمک می‌کند.
تنظیمات محافظ ساده‌شده زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی
برای اطمینان از اینکه زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده می‌توانند نیازهای عملیاتی مزارع بادی را برآورده کنند، مؤسسه تحقیقات برق شرکت برق ژیلین ۱۸ متخصص از شرکت برق ژیلین، شرکت بی‌جهت میکرو الکترونیک پکن، شرکت داتانگ ژیلین و واحدهای دیگر را تشکیل داد تا پیکربندی زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده را به دقت نمایش دهند و بررسی کنند. به رسمیت شناخته شد که زیرستان جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده یک ترانسفورماتور اختصاصی برای انرژی بادی است که بر اساس گوارش فناوری زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی توسعه یافته است. از لحاظ فنی، آن به طور کامل نیازهای عملیاتی ایمن و مطمئن واحدهای توربین بادی را برآورده می‌کند، دارای مزایای اقتصادی خوبی است و می‌تواند به طور گسترده در مزارع بادی ترویج و استفاده شود. پیکربندی زیرستان جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده در شکل ۲ نشان داده شده است.
تجزیه و تحلیل فنی و اقتصادی
اغلب مزارع بادی در حال حاضر از زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی طراحی‌شده اصلی استفاده می‌کنند که قابلیت‌های محافظتی پیچیده آنها برای سیستم‌های انرژی بادی مناسب نیستند. استفاده از زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده می‌تواند به طور قابل توجهی هزینه‌های تجهیزات را کاهش دهد و مزایای اجتماعی و اقتصادی خوبی را ایجاد کند. محاسبات اولیه نشان می‌دهد که هزینه هر واحد حدود ۳۰۰۰۰ یوان کاهش می‌یابد.
پس از حذف برخی از اجزای unnecesary مانند سوئیچ‌های بار، فیوز‌های پلاگی و مدارکننده‌های هوشمند، تعداد نقاط احتمالی حادثه کاهش می‌یابد و احتمال وقوع حادثه به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. عملیات ساده، آسان، ایمن و قابل اعتماد است و حجم کار نگهداری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده در برخی از مزارع بادی استان ژیلین استفاده شده‌اند و مزایای اجتماعی و اقتصادی قابل توجهی به دست آورده‌اند.
