Трансформаторы сухого типа для морской ветроэнергетики: четыре механизма отказа, которые создает соляной туман, и как на них реагирует конструкция

Зачем вообще использовать сухой тип и чего стоит этот выбор

Спросите, почему используются морские ветряные турбины трансформаторы сухого типа в гондоле, и вы получите чистый ответ: масла нет. В замкнутом стальном корпусе на высоте 100 метров над уровнем моря заполненный жидкостью блок создает пожарную нагрузку, путь разлива в морскую среду и бремя технического обслуживания, для достижения которого требуется судно, погодное окно и команда. Литой трансформатор сухого типа устраняет все три проблемы сразу. Для установки гондолы это обычно имеет решающее значение.

Но стоит уточнить, к чему приводит это решение, потому что отрасль часто представляет его как простое преимущество, а не сделку. Выбор шельфа сухого типа не устраняет четырех серьезных проблем. Он заменяет их четырьмя разными — и, в отличие от вопроса о нефти, ни одну из замен нельзя решить выбором другого семейства продуктов. Их необходимо противодействовать, механизм за механизмом.

Их четыре: отложения солей, которые делают изолирующие поверхности проводящими; конденсат, который образуется внутри корпуса, который вы строите, чтобы не допустить попадания соли; принципиальный конфликт между герметизацией агрегата и его охлаждением; и механическая среда — непрерывная вибрация, раскачивание башни и переходные процессы рыскания — для которых трансформатор никогда не был предназначен для передачи нагрузки. В этой статье они расположены именно в таком порядке, потому что примерно в этом порядке они уничтожают оборудование.

Механизм первый: соль — это не просто проблема коррозии, это проблема проводимости

Принято считать, что соляной туман разъедает морское оборудование, поэтому контрмерой является лучшее покрытие и оборудование из нержавеющей стали. Этот каркас неполный, и зазор имеет огромное значение, особенно для сухого трансформатора.

Морская соль, переносимая по воздуху, не просто оседает на поверхностях. Он откладывается в виде гигроскопического слоя — хлоридных солей, легко поглощающих атмосферную влагу. При высокой относительной влажности, особенно при пересечении точки росы, которое происходит ежедневно на море, этот отстой поглощает воду и образует тонкую пленку электролита на поверхности изоляции . Внутренняя изоляция не повреждена. Его поверхность стала проводящей.

Это создает режим отказа, на который не рассчитаны береговые конструкции: поверхностный пробой по пути утечки, часто называемый пробой из-за загрязнения, происходящий при напряжениях, которые объемная изоляция легко выдерживает. Это поверхностное явление, вызванное загрязнением и влажностью, и оно является одним из признанных источников возгорания в морских ветряных турбинах именно потому, что оно происходит на оборудовании, которое проходит все заводские диэлектрические испытания в чистом и сухом состоянии.

Ответы дизайна следуют непосредственно из механизма:

• Длина пути утечки превышает береговой стандарт. Путь между фазами и землей удлиняется намеренно, чтобы выдержать загрязненную, смоченную поверхность, а не просто чистую. Профили изоляторов и геометрия намотки выбираются исходя из загрязненного, а не идеального состояния.

• Гидрофобная обработка поверхности. Поверхность, которая распределяет воду по каплям, а не образует сплошную пленку, разрушает электролитный мостик до того, как он образуется. Силиконовые покрытия, вулканизующиеся при комнатной температуре (RTV), и составы гидрофобных смол выполняют именно эту функцию, и их сохранение в течение многих лет, а не только их первоначальное применение, является вопросом производительности.

• Герметизация устройства вместо его защиты. Если соль никогда не достигает обмотки, в источнике заложен механизм поверхностной проводимости. Вот почему морские агрегаты сухого типа устанавливаются внутри кожухов, а не на открытом воздухе, при этом коррозионная нагрузка переносится на оболочку кожуха. Это хороший ответ — и он является прямой причиной следующих двух проблем.

Механизм второй: в запечатанной коробке своя погода

Герметизация от проникновения соли кажется законченным решением. Это не так, потому что герметичный корпус не удаляет воду, а перемещает ее.

Внутри корпуса все еще присутствует влага: остаточная влажность от сборки, десорбция из изоляционных и конструкционных материалов, а также все, что проникает через несовершенную герметизацию в течение многих лет термоциклирования. В то же время корпус подвергается воздействию морских температур: чередование день-ночь, циклическая смена нагрузки, которая меняет температуру обмотки на десятки градусов, а также холодный запуск после отключения электроэнергии. При каждом цикле охлаждения внутренние поверхности опускаются ниже локальной точки росы. Вода конденсируется. И он конденсируется преимущественно на самых холодных и термически массивных поверхностях, которыми часто является обмотка и ее изоляция, а не стена корпуса.

Следствием является тонкая инверсия проблемы, связанной с внешним пространством: вместо соли, поступающей снаружи, образуется влага, которая задерживается внутри, смачивая те же изоляционные поверхности изнутри пространства, которое оператор не может проверить. В долгосрочной перспективе это снижает сопротивление поверхностной изоляции и создает условия для разряда на поверхности — тот же класс отказов, что и у Механизма Один, но достигнутый другим путем.

Контрмеры хорошо известны, и каждая из них представляет собой обязательство по техническому обслуживанию, а не разовую функцию:

• Противоконденсационные нагреватели , включающиеся при обесточивании трансформатора, поддерживают внутренние поверхности выше точки росы в самом холодном и наиболее уязвимом состоянии — отключении электроэнергии.

• Осушение и управление осушителем с графиком замены или регенерации, предполагающим рейс судна.

• Управление дыханием — либо действительно герметичная конструкция с компенсацией давления, либо контролируемое дыхание через путь осушителя, потому что номинально герметичный ящик, который дышит неконтролируемым воздухом, просто импортирует проблему с солью, которую он был создан, чтобы исключить.

• Тепловая конструкция позволяет избежать холодных зон , поскольку место конденсации определяется градиентом температуры, а не номинальной мощностью корпуса.

Принцип конструкции, который стоит сформулировать прямо: герметизация не является стратегией защиты от влаги. Это граничное условие, которое делает обязательным управление внутренней влажностью.

Механизм третий: герметизация и охлаждение находятся в прямом конфликте

Вот основная инженерная проблема морского проекта сухого типа. Трансформатор сухого типа отводит тепло в воздух. На практике его рейтинг представляет собой заявление о том, сколько воздуха может уносить тепло. В открытом море корпус должен быть изолирован от соли. Герметичный корпус не может отводить тепло путем воздухообмена.

Каждое доступное разрешение — это сделка:

Теплообменники воздух-воздух. Внутренний воздух циркулирует по замкнутому контуру; Наружный воздух проходит по другой стороне теплообменника, передавая тепло, не смешивая два потока. Соль никогда не достигает обмотки. Стоимостью является путь теплопередачи с перепадом температур на нем (то есть трансформатор внутри нагревается сильнее, чем предполагает внешний воздух), а также теплообменник, который засоряется солью на своих внешних поверхностях и требует очистки на море по расписанию.

Воздушно-водяное охлаждение. Тепло передается из внутреннего воздуха в водяной контур, а затем отводится через внешний теплообменник или собственную систему охлаждения турбины. Это более компактно и позволяет удерживать в трансформаторном отсеке небольшое положительное давление, что активно препятствует попаданию соли. Он также вводит водяной контур — насосы, уплотнения, герметичность — в место, где утечка является одновременно событием технического обслуживания и опасностью поражения электрическим током. Более высокие возможности, более высокая сложность, более серьезные последствия отказа.

Принудительная вентиляция с фильтрацией. Самый простой тепловой ответ и худший ответ на обслуживание на море: фильтры, которые исключают соль, засоряются солью и требуют обслуживания, а пренебрегаемый фильтр превращает систему охлаждения в риск перегрева. Каждый фильтр — это запланированное вмешательство, а каждое запланированное вмешательство — это рейс судна.

Снижение номинальных характеристик и температурный запас. Примите более низкий полезный номинал или более высокий класс системы изоляции, чтобы устройство выдержало скомпрометированный путь охлаждения без повреждений. Это наиболее честный вариант — он требует затрат на мощности и капитал, а также дает возможность приобрести терпимость к неизбежному ухудшению качества — и он обычно занижается, потому что из-за него оборудование выглядит дороже в конкурентном тендере.

Правильный ответ для конкретного проекта зависит от размера турбины, диапазона температуры окружающей среды, доступа для технического обслуживания и терпимости оператора к вмешательству. Важно то, что сделка совершается явно. Трансформатор сухого типа, предназначенный для морских работ без заявленной архитектуры охлаждения и заявленного теплового запаса, не является конструкцией — это надежда на то, что корпус будет вести себя так, как предполагает техническое описание.

Механизм четвертый: вибрация, раскачивание и усталость.

Гондола — это машина, которая никогда не перестает двигаться. Вращение ротора, гармоники прохождения лопастей, возбуждение генератора и коробки передач, непрерывное раскачивание башни, а также резкие переходные процессы при рыскании и торможении — все это влияет на каждый компонент, закрепленный внутри нее. Трансформатор сухого типа с корпусом из литой смолы и болтовым узлом сердечника и зажима, естественно, не является конструкцией, рассчитанной на усталость.

Повреждения накапливаются в непривлекательных местах: болтовые соединения, которые расшатываются и расшатываются; наконечники проводников, которые затвердевают и трескаются; изоляционные поверхности, которые истираются о соседние конструкции в течение миллионов циклов; и, в худшем случае, движение обмотки относительно сердечника, которое начинается как электрическое нарушение и заканчивается неисправностью. Ни один из них не обнаруживается при обычном диэлектрическом испытании, пока они не будут уже продвинуты.

Противодействующие меры при проектировании и установке являются механическими, и они в основном направлены на устранение относительного движения, а не на добавление прочности:

• Жесткий литой корпус , поэтому намоточная конструкция противостоит движению как единое целое, а не как совокупность частей, которые могут работать друг против друга.

• Позитивное соединение между трансформатором и корпусом с помощью распорок, благодаря которым они ведут себя как одна конструкция, а не как две массы, которые могут колебаться независимо.

• Положения, предотвращающие ослабление каждого крепежа , рассматриваются как требование усталости, а не как передовая практика, поскольку крепеж, который ослабляется под действием вибрации, становится движущейся частью.

• Разгрузка натяжения и поддержка всех соединений , чтобы кабели и шины не создавали циклических нагрузок на клеммы.

• Динамическая квалификация , а не просто статическая сертификация: механическая среда на море представляет собой спектр вибрации и историю переходных нагрузок, и оборудование должно быть явно оправдано в отношении этой среды.

Материалы, покрытия и корпус как реальная передовая линия

Поскольку корпус поглощает коррозионную нагрузку, именно от его характеристик зависит большая часть долговечности на море. Важны три элемента:

Классификация коррозионной активности. Морская коррозионная активность атмосферы высока, и соответствующей структурой является ISO 9223, где C5-M обозначает суровую морскую категорию. Эта классификация является исходной для всего последующего.

Системы покрытия соответствуют стандарту, а не цвету. ISO 12944 регулирует системы защитных покрытий: степень подготовки поверхности, химический состав покрытия, количество слоев, толщину сухой пленки и ожидаемый срок службы в течение предполагаемого срока службы. Покрытие, указанное как «морской класс» без обозначения системы и толщины пленки, является утверждением, а не спецификацией. Края, крепеж и сварные соединения — это то место, где системы покрытия фактически не работают, и они требуют детализации — полосовых слоев, герметизированных соединений и коррозионностойких деталей — а не равномерного распыления.

Совместимость материалов. Корпуса из нержавеющей стали и алюминия создают свои проблемы: гальваническая коррозия между разнородными металлами, коррозионное растрескивание под напряжением в некоторых марках нержавеющей стали и риск водородного охрупчивания высокопрочных крепежных изделий. Выбор материала должен осуществляться как система, при этом крепеж и конструкция рассматриваются вместе.

Защита от проникновения как объявленная граница. Рейтинг IP не является маркетинговым показателем; он определяет, что корпус должен исключать и, следовательно, что должен предполагать внутренний дизайн в отношении того, что в любом случае попадает внутрь. Вентиляционные отверстия, кабельные вводы и дверные уплотнения — это пути, которые имеют значение, а конструкция кабельных вводов — это то место, где корпус с хорошей оценкой чаще всего становится установкой с низкой оценкой.

Стандарты, которые стоит указать в спецификации

Для морских трансформаторов сухого типа применимая структура обычно включает:

• IEC 60076-11 — трансформаторы сухого типа, охватывающие классы климатических условий, окружающей среды и пожаробезопасности (обычно обозначаемые тройкой классов, например C2 / E2 / F1), которые должны быть указаны явно для морской эксплуатации, а не унаследованы из общего каталога.

• IEC 60076-16 — трансформаторы для ветряных турбин, стандарт, который признает конкретный рабочий цикл, профиль нагрузки и воздействие окружающей среды в этом приложении.

• МЭК 61439 — если сборка поставляется в виде комбинации распределительного устройства и трансформатора, определяющая требования к корпусу и сборке.

• IEEE C57.12.01 — для спецификаций сухого типа для Северной Америки.

• ISO 9223 и ISO 12944 — классификация коррозионной активности и спецификация системы покрытия, как описано выше.

• Сертификация классификационного общества (например, DNV), если этого требует проект, особенно для плавучих или морских подстанций.

Что потребовать перед покупкой

Краткий и конкретный контрольный список для отделов закупок:

1. Заявленная архитектура охлаждения с тепловым запасом. Теплообменник, водяной контур, принудительная вентиляция или режим пониженной мощности — по названию с указанием снижения мощности или количественного запаса.

2. Спецификация утечки оправдана для загрязненной, влажной поверхности , а не просто соответствие минимуму чистоты.

3. План управления конденсацией , включая работу нагревателя во время отключений, а также график осушителя или осушения с реалистичным интервалом вмешательства при условии доступа к морю.

4. Заявление о вибро- и динамической квалификации относительно реальной среды гондолы, включая меры по предотвращению ослабления крепления и крепления.

5. Система покрытия, указанная в стандарте — система ISO 12944, степень подготовки поверхности и толщина сухой пленки, с указанием детализации кромок и креплений.

6. Обозначения классов указаны явно — климатический, экологический и пожароопасный класс, плюс класс IP, плюс категория коррозионной активности.

7. План ремонтопригодности, учитывающий стоимость доступа. Общая стоимость конструкции, требующей посещения судна каждые шесть месяцев для обслуживания фильтра, затмевает ее покупную цену, и эта стоимость учитывается при оценке.

Честное резюме

Трансформаторы сухого типа являются правильным решением для морских гондол по соображениям пожарной безопасности и маслозащиты, которым не соответствует ни одна другая технология в этом месте. Но соляной туман, конденсат, парадокс уплотнения и вибрация исчезают не потому, что это произошло благодаря маслу. Они превращают проблемы, с которыми масло справляется пассивно, в проблемы, которые конструкция должна решать активно — с расширенными путями утечки, гидрофобными поверхностями, продуманным управлением влажностью, архитектурой охлаждения, выбранной с учетом затрат на техническое обслуживание, и механической конструкцией, которая рассматривает каждый крепеж как усталостный компонент.

Морской ветер вознаграждает проекты, которые явно определяют эти механизмы, и наказывает (дорого, в море, в погодное окно) те, которые предполагают, что герметичный корпус и морское покрытие вместе представляют собой полный ответ. Они этого не делают. Это первые два шага в более длительном инженерном споре, а второй трансформатора в море зависит от того, насколько хорошо он сделан. Тридцатилетняя жизнь