Uma configuração simplificada de aerogeradores equipados com transformadores do tipo caixa americana

A geração de energia eólica, como uma fonte de energia renovável e limpa, tem tecnologia relativamente madura e testemunhou um rápido desenvolvimento na China nos últimos anos. Estima-se que, até 2010, a capacidade instalada total atingirá 1,8×10⁴ MW. A geração de energia eólica é caracterizada por um curto período de construção, resultados rápidos e as vantagens mais custo-efetivas. Geralmente, leva apenas cerca de um ano para construir uma fazenda eólica de 50 MW. Após a conclusão, o custo operacional é baixo, e a carga de trabalho de operação e manutenção é relativamente pequena.

Visão Geral dos Transformadores de Elevação Selecionados para Fazendas Eólicas

Cada unidade de turbina eólica está equipada com um transformador de elevação, que é usado para elevar a tensão gerada (0,69 kV) e conectá-la às linhas coletoras internas da fazenda eólica. O modo de conexão unitária de "uma máquina - um transformador" é adotado para o cabeamento. As linhas coletoras são conectadas à rede elétrica através da subestação de elevação da fazenda eólica. Atualmente, os transformadores selecionados incluem principalmente três tipos: transformadores a óleo comuns (menos utilizados), subestações pré-fabricadas europeias e subestações pré-fabricadas americanas (também conhecidas como subestações americanas do tipo caixa). Entre eles, as subestações americanas do tipo caixa são atualmente usadas com mais frequência.

Comparado com as subestações pré-fabricadas europeias, as subestações americanas do tipo caixa têm as vantagens de estrutura compacta, selagem total, volume reduzido, uso de conectores de cabo do tipo cotovelo, ausência de proteção a gás e operação e manutenção conveniente. As subestações americanas do tipo caixa são principalmente usadas em redes de distribuição urbanas, como áreas residenciais, parques industriais, centros comerciais e outros locais de fornecimento de energia. Nos últimos anos, elas têm sido amplamente utilizadas como transformadores de elevação para turbinas eólicas. Seu esquema de ligação elétrica típico (basicamente o mesmo aplicado na rede de distribuição) é mostrado na Figura 1. De acordo com os requisitos da rede de distribuição, as subestações americanas do tipo caixa são equipadas com as seguintes proteções correspondentes:

• Fusíveis plug-in a óleo, que se fundem quando ocorre um defeito de curto-circuito no lado de baixa tensão do transformador;

• Fusíveis limitadores de corrente a óleo, que se fundem rapidamente para cortar o transformador quando ocorre um defeito de curto-circuito no lado de alta tensão dentro do transformador, evitando que o acidente se expanda.

• Um disjuntor trifásico intertravado, imerso em óleo, que pode completar a operação de fechamento do transformador sob carga;

• Um disjuntor inteligente (ou interruptor seccionador fusível), principalmente usado para proteger o lado de carga.

Simplificação da Configuração de Proteção das Subestações Americanas do Tipo Caixa

Princípios de Simplificação

Uma subestação americana refere-se a um transformador que mantém as características básicas de uma subestação americana do tipo caixa, como sua estrutura, radiadores ondulados, ausência de proteção a gás, válvulas de alívio de pressão e fusíveis limitadores de corrente. No entanto, simplifica os dispositivos de proteção. Com base na experiência resumida da operação eólica, alguns componentes de sua proteção de rede são removidos, tornando-o um transformador especificamente usado para energia eólica.

Configuração de Proteção Simplificada

É tecnicamente viável remover os componentes de proteção de rede das subestações americanas do tipo caixa aplicadas na energia eólica. As linhas coletoras estão equipadas com dispositivos de proteção confiáveis (instalados na subestação de elevação). As linhas coletoras precisam ser conectadas à subestação de elevação, e após a elevação da tensão, são conectadas ao sistema. A subestação de elevação estabelece proteção de linha para cada linha coletora, respectivamente. A faixa de proteção não só cobre as linhas coletoras, mas também se estende à subestação do tipo caixa e às turbinas eólicas. Uma vez que ocorra um curto-circuito ou outros defeitos em determinada linha, a proteção de linha agirá e desconectará essa linha. As turbinas eólicas estão equipadas com um conjunto completo de dispositivos de proteção de rede (instalados no gabinete de controle terrestre). Uma vez que ocorra um defeito ou anormalidade na rede, a proteção da turbina eólica agirá e cortará a turbina (aqui, a rede refere-se à linha coletora e ao sistema de subestação do tipo caixa). A Tabela 1 mostra a proteção de rede definida pelo fabricante da turbina eólica.

Algumas configurações de proteção das subestações do tipo caixa são relativamente simples. Suas funções de proteção são muito inferiores às da proteção de linha coletora e da proteção de turbina eólica, formando proteção cruzada redundante. Portanto, a proteção de rede configurada nas subestações do tipo caixa é desnecessária e pode ser removida. A faixa de proteção e as funções dos disjuntores inteligentes podem ser completamente substituídas pela proteção de rede das turbinas eólicas. Além disso, eliminar alguns componentes desnecessários, como disjuntores de carga e fusíveis plug-in, ajuda a reduzir os pontos potenciais de acidente e melhorar a confiabilidade operacional do equipamento.

Configurações de Proteção de Subestações Americanas do Tipo Caixa Simplificadas

Para garantir que as subestações americanas do tipo caixa simplificadas possam atender aos requisitos operacionais das fazendas eólicas, o Instituto de Pesquisa Elétrica da Jilin Electric Power Co., Ltd. organizou 18 especialistas da Jilin Electric Power Co., Ltd., Beijing Sifang Micro-Electronic Co., Ltd., Datang Jilin Company e outras unidades para demonstrar e revisar cuidadosamente a configuração das subestações americanas do tipo caixa simplificadas. Foi reconhecido que a subestação americana do tipo caixa simplificada é um transformador dedicado para energia eólica, desenvolvido com base na digestão da tecnologia de subestações americanas do tipo caixa. Tecnicamente, atende plenamente aos requisitos para a operação segura e confiável das unidades de turbinas eólicas, possui bons benefícios econômicos e pode ser amplamente promovida e utilizada em fazendas eólicas. A configuração da subestação americana do tipo caixa simplificada é mostrada na Figura 2.

Análise Técnica e Econômica

A maioria das fazendas eólicas atualmente adota as subestações americanas do tipo caixa originalmente projetadas, cujas funções de proteção complexas não são adequadas para sistemas eólicos. O uso de subestações americanas do tipo caixa simplificadas pode reduzir significativamente os custos de equipamentos, trazendo bons benefícios sociais e econômicos. Cálculos preliminares mostram que o custo de cada unidade pode ser reduzido em aproximadamente 30.000 yuan.

Após a eliminação de alguns componentes desnecessários, como disjuntores de carga, fusíveis plug-in e disjuntores inteligentes, o número de pontos potenciais de acidente é reduzido, diminuindo grandemente a probabilidade de acidentes. A operação é simples, conveniente, segura e confiável, com uma redução substancial na carga de trabalho de manutenção. As subestações americanas do tipo caixa simplificadas foram aplicadas em algumas fazendas eólicas na província de Jilin, alcançando benefícios sociais e econômicos evidentes.