یک پیکربندی ساده توربین‌های بادی مجهز به ترانسفورماتورهای جعبه‌ای آمریکایی
تولید برق از طریق انرژی باد، به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک، دارای فناوری نسبتاً بالغ است و در سال‌های اخیر در چین توسعه سریعی داشته است. برآورد می‌شود که تا سال ۲۰۱۰ ظرفیت نصب شده کل به ۱٫۸×۱۰⁴ MW خواهد رسید. تولید برق از طریق انرژی باد با ویژگی‌های مدت زمان ساخت کوتاه، نتیجه‌بخش سریع و مزایای هزینه‌برداری مؤثر مشخص می‌شود. معمولاً فقط حدود یک سال برای ساخت یک مزرعه بادی ۵۰ MW لازم است. پس از تکمیل، هزینه عملیاتی کم است و حجم کار نگهداری و تعمیرات نسبتاً کم است.
مروری بر ترانسفورماتورهای افزاینده انتخاب شده برای مزارع بادی
هر واحد توربین بادی با یک ترانسفورماتور افزاینده مجهز شده است که برای افزایش ولتاژ تولید شده (۰.۶۹ kV) و اتصال آن به خطوط جمع‌کننده داخلی مزرعه بادی استفاده می‌شود. الگوی اتصال "یک دستگاه-یک ترانسفورماتور" برای سیم‌کشی انتخاب شده است. خطوط جمع‌کننده از طریق زیرстан افزاینده مزرعه بادی به شبکه برق متصل می‌شوند. در حال حاضر، ترانسفورماتورهای انتخاب شده عمدتاً شامل سه نوع هستند: ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن معمولی (کمتر مورد استفاده)، زیرستان‌های پیش‌ساخته اروپایی و زیرستان‌های پیش‌ساخته آمریکایی (که به عنوان زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی شناخته می‌شوند). از بین آنها، زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی در حال حاضر بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در مقایسه با زیرستان‌های پیش‌ساخته اروپایی، زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی دارای مزایای ساختار فشرده، ختم‌شدگی کامل، حجم کوچک، استفاده از پلاگ کابلی با انحنا، عدم نیاز به محافظ گازی و راحتی در عملیات و نگهداری هستند. 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 افزاینده پشتیبان توربین‌های بادی استفاده می‌شوند. طرح برقی معمول آنها (به طور کلی 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 غوطه‌ور در روغن که در صورت رخ دادن خرابی کوتاه مداری در سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور منفجر می‌شوند؛
فیوز‌های محدودکننده جریان غوطه‌ور در روغن که در صورت رخ دادن خرابی کوتاه مداری در سمت ولتاژ بالایی داخل ترانسفورماتور به سرعت منفجر می‌شوند و ترانسفورماتور را قطع می‌کنند تا از گسترش حادثه جلوگیری شود.
سوئیچ بار سه‌فازی همبسته که در روغن غوطه‌ور شده و می‌تواند عملیات بستن ترانسفورماتور با بار را انجام دهد؛
مداربر قطع‌کننده هوشمند (یا سوئیچ جداکننده فیوز) که عمدتاً برای محافظت از سمت بار استفاده می‌شود.
ساده‌سازی پیکربندی محافظ‌های زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی
اصول ساده‌سازی
ترانسفورماتور آمریکایی به ترانسفورماتوری اشاره دارد که ویژگی‌های اساسی زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی مانند ساختار، رادیاتورهای موج‌دار، عدم وجود محافظ گازی، دریچه‌های رها کننده فشار و فیوز‌های محدودکننده جریان را حفظ می‌کند. با این حال، دستگاه‌های محافظ را ساده می‌کند. بر اساس خلاصه‌ای از تجربیات عملیاتی تولید برق از طریق انرژی باد، برخی اجزای محافظ شبکه آن حذف شده و به ترانسفورماتوری اختصاصی برای انرژی باد تبدیل شده است.
پیکربندی محافظ ساده‌شده
از لحاظ فنی امکان‌پذیر است که اجزای محافظ شبکه از زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی که در انرژی باد استفاده می‌شوند حذف شوند. خطوط جمع‌کننده با دستگاه‌های محافظ قابل اعتماد مجهز شده‌اند (نصب شده در زیرستان افزاینده). خطوط جمع‌کننده باید به زیرستان افزاینده متصل شوند و پس از افزایش ولتاژ به سیستم متصل شوند. زیرستان افزاینده محافظ خطی برای هر خط جمع‌کننده به صورت جداگانه تنظیم می‌کند. محدوده محافظت نه تنها خطوط جمع‌کننده را پوشش می‌دهد بلکه به زیرستان جعبه‌ای و توربین‌های بادی نیز گسترش می‌یابد. در صورت رخ دادن خرابی کوتاه مداری یا خرابی‌های 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 خرابی یا ناهماهنگی شبکه، محافظ توربین عمل می‌کند و توربین را قطع می‌کند (در اینجا، شبکه به خط جمع‌کننده و سیستم زیرستان جعبه‌ای اشاره دارد). جدول ۱ نشان‌دهنده محافظ‌های شبکه تنظیم شده توسط سازنده توربین بادی است.
برخی از پیکربندی‌های محافظ زیرستان‌های جعبه‌ای نسبتاً ساده هستند. قابلیت‌های محافظتی آنها به شدت کمتر از محافظ‌های خط جمع‌کننده و توربین بادی هستند و محافظ‌های متقاطع اضافی ایجاد می‌کنند. بنابراین، محافظ‌های شبکه که در زیرستان‌های جعبه‌ای تنظیم شده‌اند unnecesary هستند و می‌توانند حذف شوند. محدوده و قابلیت‌های محافظت مداربر قطع‌کننده هوشمند به طور کامل می‌توانند توسط محافظ‌های شبکه توربین بادی جایگزین شوند. همزمان، حذف برخی اجزای unnecesary مانند سوئیچ‌های بار و فیوز‌های پلاگ‌شونده به کاهش نقاط بالقوه حادثه و بهبود قابلیت اطمینان عملیاتی تجهیزات 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 جیلین ۱۸ متخصص از شرکت برق جیلین، شرکت میکروالکترونیک بیجینگ سیفانگ، شرکت داتانگ جیلین و سایر واحدها را سازماندهی کرد تا به طور دقیق پیکربندی زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده را بررسی و بازنگری کنند. تشخیص داده شد که زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده یک ترانسفورماتور اختصاصی برای انرژی باد هستند که بر اساس جذب فناوری زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی توسعه یافته‌اند. از لحاظ فنی، آنها به طور کامل نیازهای عملیاتی ایمن و قابل اعتماد توربین‌های بادی را برآورده می‌کنند، دارای مزایای اقتصادی خوبی هستند و می‌توانند به طور گسترده در مزارع بادی ترویج و استفاده شوند. پیکربندی زیرستان‌های 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 محافظت پیچیده آنها برای سیستم‌های انرژی باد مناسب نیستند. استفاده از زیرستان‌های جعبه‌ای آمریکایی ساده‌شده می‌تواند به طور قابل توجهی هزینه تجهیزات را کاهش دهد و مزایای اجتماعی و اقتصادی خوبی ایجاد کند. محاسبات اولیه نشان می‌دهد که هزینه هر واحد می‌تواند تقریباً ۳۰۰۰۰ یوان کاهش یابد.
بعد از حذف برخی اجزای unnecesary مانند سوئیچ‌های بار، فیوز‌های پلاگ‌شونده و مداربر قطع‌کننده هوشمند، تعداد نقاط بالقوه حادثه کاهش یافته و احتمال وقوع حادثه به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. عملیات ساده، راحت، 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 جیلین استفاده شده‌اند و مزایای اجتماعی و اقتصادی واضحی به دست آورده‌اند.
