Сухі трансформатори в офшорних вітрових установках: чотири механізми відмови, які створює соляний туман, і як на них відповідає дизайн

Навіщо взагалі сухий тип і скільки коштує такий вибір

Запитайте, чому використовують офшорні вітрові турбіни сухі трансформатори в гондолі, і ви отримаєте чітку відповідь: без масла. У замкнутому сталевому корпусі на висоті 100 метрів над рівнем моря заповнений рідиною блок створює пожежне навантаження, шлях розливу в морське середовище та тягар технічного обслуговування, для якого потрібне судно, погодне вікно та екіпаж. Сухий трансформатор із литої смоли усуває всі три проблеми одночасно. Для встановлення гондол це зазвичай є вирішальним.

Але варто бути точним щодо результатів цього рішення, оскільки галузь часто представляє його як просту перевагу, а не як торгівлю. Вибір сухого типу офшору не усуває чотирьох складних проблем. Він замінює їх на чотири різні — і, на відміну від проблеми з маслом, жодну із замін не можна вирішити, вибравши іншу групу продуктів. Їх потрібно розробляти проти механізму за механізмом.

Чотири: соляний відкладення, яке робить ізоляційні поверхні провідними; конденсат, який утворюється всередині будь-якого корпусу, який ви будуєте, щоб уникнути потрапляння солі; принциповий конфлікт між герметизацією блоку та його охолодженням; і механічне середовище — безперервна вібрація, коливання вежі та перехідні процеси — для яких трансформатор ніколи не був призначеним шляхом навантаження. У цій статті вони розглядаються в такому порядку, тому що це приблизно той порядок, у якому вони знищують обладнання.

Механізм перший: сіль — це не просто проблема корозії — це проблема провідності

Традиційним каркасом є те, що соляний туман роз'їдає морське обладнання, тому контрзаходом є краще покриття та нержавіюче обладнання. Цей каркас є неповним, і розрив має величезне значення саме для сухого трансформатора.

Морська сіль у повітрі не просто осідає на поверхні. Він відкладається у вигляді гігроскопічного шару — хлоридних солей, які легко вбирають атмосферну вологу. При високій відносній вологості, особливо через перехід точки роси, який щодня відбувається на морі, цей відклад поглинає воду та утворює тонку плівку електроліту на поверхні ізоляції . Ізоляція всередині не вийшла з ладу. Його поверхня стала електропровідною.

Це створює режим відмови, на який не розраховані наземні конструкції: поверхневий спалах поперек шляху витоку, який часто називають спалахом забруднення, що відбувається при напрузі, яку могла б комфортно витримувати об’ємна ізоляція. Це поверхневе явище, викликане забрудненням і вологою, і воно є одним із визнаних ініціаторів пожежі в морських вітрових турбінах саме тому, що це відбувається на обладнанні, яке проходить усі заводські випробування діелектрика в чистому сухому стані.

Дизайнерські відповіді випливають безпосередньо з механізму:

• Довжина шляху витоку перевищує береговий стандарт. Поверхневий шлях між фазами та землею навмисно подовжується, щоб витримати забруднену, вологу поверхню — а не просто чисту. Профілі ізолятора та геометрія обмотки вибираються відповідно до умов забруднення, а не ідеальних.

• Гідрофобна обробка поверхні. Поверхня, яка розливає воду на краплі, а не дозволяє утворювати безперервну плівку, розриває електролітний місток до того, як він утвориться. Силіконові покриття з вулканізацією при кімнатній температурі (RTV) і склади гідрофобної смоли виконують саме цю функцію, і питання продуктивності полягає в тому, що вони залишатимуться впродовж багатьох років, а не тільки при початковому застосуванні.

• Герметизація пристрою, а не його захист. Якщо сіль ніколи не досягає обмотки, механізм поверхневої провідності розроблений у джерелі. Ось чому офшорні блоки сухого типу встановлюються всередині корпусів, а не відкрито, при цьому тягар корозії переноситься на корпус корпусу. Це хороша відповідь — і це пряма причина наступних двох проблем.

Другий механізм: Запечатана коробка має свою погоду

Герметизація від проникнення солі звучить як повне рішення. Це не так, тому що герметичний корпус не видаляє воду — він переміщує її.

Усередині корпусу все ще присутня волога: залишкова вологість від складання, десорбція з ізоляції та конструкційних матеріалів, а також все, що надходить через недосконалу герметизацію протягом років термічного циклу. Водночас корпус зазнає теплового середовища в морі — зміна дня і ночі, зміна навантаження, яка коливає температуру обмотки на десятки Кельвінів, і холодний запуск після відключення. Кожен цикл охолодження штовхає внутрішні поверхні нижче місцевої точки роси. Вода конденсується. І він конденсується переважно на найхолодніших, найбільш термічно масивних поверхнях, якими часто є обмотка та її ізоляція, а не стіна корпусу.

Наслідком цього є незначна інверсія зовнішньої проблеми: замість солі, яка надходить ззовні, утворюється волога, яка затримується всередині, змочуючи ті самі поверхні ізоляції зсередини простору, який оператор не може перевірити. У довгостроковій перспективі це знижує поверхневий опір ізоляції та створює умови для розряду на поверхні — того самого класу відмови, що й перший механізм, який досягається іншим шляхом.

Контрзаходи добре розроблені, і кожен із них є зобов’язанням щодо обслуговування, а не одноразовою функцією:

• Антиконденсаційні нагрівачі , які вмикаються щоразу, коли трансформатор знеструмлений, утримуючи внутрішні поверхні вище точки роси під час найхолоднішого та найвразливішого стану — відключення.

• Управління осушенням і осушувачем із графіком заміни або регенерації, який передбачає рейс судна.

• Управління диханням — або справжня герметична конструкція з компенсацією тиску, або контрольоване дихання через шлях осушувача, тому що номінально герметична коробка, яка вдихає неконтрольоване повітря, просто імпортує проблему солі, яку вона створювала, щоб виключити.

• Теплова конструкція, яка дозволяє уникнути холодних точок , оскільки місце конденсації встановлюється градієнтом температури, а не номінальним показником корпусу.

Варто чітко сформулювати принцип конструкції: герметизація не є стратегією захисту від вологи. Це гранична умова, яка робить внутрішній контроль вологи обов’язковим.

Третій механізм: ущільнення та охолодження знаходяться в прямому конфлікті

Ось центральна інженерна напруга морської конструкції сухого типу. Сухий трансформатор відводить тепло в повітря. Його рейтинг, на практиці, є заявою про те, скільки повітря може відводити тепло. За межами моря корпус повинен бути герметично закритий від солі. Герметичний корпус не може відводити тепло шляхом повітрообміну.

Кожне доступне рішення є торгівлею:

Теплообмінники повітря-повітря. Внутрішнє повітря циркулює по замкнутому контуру; зовнішнє повітря проходить з іншого боку теплообмінника, передаючи тепло без змішування двох потоків. Сіль ніколи не доходить до обмотки. Вартість — це шлях теплопередачі з різницею температур на ньому — тобто трансформатор нагрівається всередині вище, ніж зовнішнє повітря — плюс теплообмінник, який забруднюється сіллю на зовнішніх поверхнях і потребує очищення в морі за графіком.

Повітряно-водяне охолодження. Тепло передається від внутрішнього повітря до водяного контуру, а потім відводиться через зовнішній теплообмінник або власну систему охолодження турбіни. Це більш компактно і дозволяє утримувати відсік трансформатора під невеликим надлишковим тиском, який активно протидіє проникненню солі. Він також вводить водяний контур — насоси, ущільнювачі, цілісність тиску — у місці, де витік є як подією для обслуговування, так і небезпекою електричного струму. Вищі можливості, вища складність, більші наслідки невдачі.

Примусова вентиляція з фільтрацією. Найпростіша термічна відповідь і найгірша відповідь щодо технічного обслуговування в морі: фільтри, які виключають сіль, накопичуються сіллю та потребують обслуговування, а запущений фільтр перетворює систему охолодження на ризик перегріву. Кожен фільтр — це планове втручання, а кожне планове втручання — це рейс судна.

Зниження номінальних характеристик і термічний запас. Прийміть нижчу придатність до використання або вищий клас системи ізоляції, щоб пристрій витримував скомпрометований шлях охолодження без пошкоджень. Це найчесніший варіант — він спереду коштує потужності та капіталу, а також гарантує толерантність до деградації, яка неминуче станеться — і він зазвичай занижується, оскільки це робить обладнання дорожчим на конкурентних тендерах.

Правильною відповіддю для даного проекту є функція розміру турбіни, діапазону температури навколишнього середовища, доступу до технічного обслуговування та терпимості оператора до втручань. Важливо те, що торгівля здійснюється явно. Сухий трансформатор, призначений для офшорних установок без зазначеної архітектури охолодження та встановленого термічного запасу, не є проектом — це надія, що корпус працюватиме так, як це передбачено в технічному паспорті.

Четвертий механізм: вібрація, коливання та втома

Гондола - це машина, яка ніколи не зупиняється. Обертання ротора, гармоніки лопатей, збудження генератора та коробки передач, безперервне коливання вежі та раптові перехідні процеси повороту й гальмування — усе це поєднується з кожним компонентом, закріпленим у ньому. Сухий трансформатор із корпусом із литої смоли та вузлом сердечника та затискачів, що кріпиться болтами, не є, природно, конструкцією, що оцінюється втомою.

Пошкодження накопичуються в непривабливих місцях: болтові з’єднання, які розповзаються та ослаблюються; наконечники провідників, які твердіють і тріскаються; ізоляційні поверхні, які стираються об сусідні конструкції протягом мільйонів циклів; і, в гіршому випадку, рух обмотки відносно сердечника, який починається як електрична неприємність і закінчується несправністю. Жодне з них не з’являється під час звичайного випробування на діелектрик, доки вони не будуть просунуті.

Контрзаходи при проектуванні та встановленні є механічними, і вони здебільшого спрямовані на усунення відносного руху, а не на додавання міцності:

• Твердий литий корпус , тож звивиста конструкція протидіє руху як єдине ціле, а не як збірка частин, які можуть працювати одна проти одної.

• Позитивний зв’язок між трансформатором і корпусом із закріпленням, завдяки якому вони функціонують як одна структура замість двох мас, які можуть коливатися незалежно.

• Положення щодо запобігання ослабленню на кожній застібці розглядаються як вимога до втоми, а не як хороша практика, оскільки застібка, яка послаблюється під час вібрації, стає рухомою частиною.

• Розрядка натягу та опора для всіх з’єднань , щоб кабелі та шини не створювали циклічних навантажень на клеми.

• Динамічна кваліфікація , а не лише статична сертифікація — механічне середовище на морі — це спектр вібрації та історія перехідних навантажень, і обладнання має бути чітко виправдано щодо цього середовища.

Матеріали, покриття та корпус як справжня лінія фронту

Оскільки корпус поглинає навантаження від корозії, його специфікація є місцем, де виграє або втрачається більшість морської довговічності. Мають значення три елементи:

Класифікація корозійності. Корозійність морської атмосфери є високою, відповідною структурою є ISO 9223, де C5-M позначає категорію важких морських умов. Ця класифікація є вхідними даними для всього подальшого.

Системи покриття відповідають стандарту, а не кольору. ISO 12944 регулює системи захисних покриттів: ступінь підготовки поверхні, хімічний склад покриття, кількість шарів, товщину сухої плівки та очікувану довговічність протягом передбаченого терміну служби. Покриття, зазначене як «морський клас» без позначення системи та товщини плівки, є твердженням, а не специфікацією. Краї, кріпильні елементи та зварні з’єднання — це те, де системи покриттів фактично виходять з ладу, і вони вимагають деталізації — смугового покриття, герметичних з’єднань і корозійностійкого обладнання — а не рівномірного розпилення.

Сумісність матеріалів. Корпуси з нержавіючої сталі та алюмінію спричиняють свої проблеми: гальванічна корозія між різнорідними металами, хлоридне корозійне розтріскування деяких сортів нержавіючої сталі та ризик водневої крихкості у високоміцних кріпильних елементах. Вибір матеріалу має здійснюватися як система, разом з кріпленнями та конструкцією.

Захист від проникнення як оголошений кордон. Рейтинг IP не є маркетинговим числом; він визначає те, що корпус претендує на виключення, і, отже, що повинен передбачати внутрішній дизайн щодо того, що потрапляє в будь-якому випадку. Вентиляційні отвори, кабельні вводи та дверні ущільнювачі – це шляхи, які мають значення, а конструкція кабельних вводів – це місце, де добре оцінений корпус найчастіше перетворюється на погано оцінений монтаж.

Стандарти, які варто назвати в специфікації

Для офшорних сухих трансформаторів застосовна структура зазвичай включає:

• IEC 60076-11 — сухі трансформатори, що охоплюють кліматичні, навколишні та вогнестійкі класи (зазвичай виражаються як триплет класів, наприклад C2 / E2 / F1), які мають бути чітко визначені для використання в морських умовах, а не успадковані із загального каталогу.

• IEC 60076-16 — трансформатори для вітрових турбін, стандарт, який визнає певний робочий цикл, профіль навантаження та вплив на навколишнє середовище цього застосування.

• IEC 61439 — де вузол постачається як комбінація розподільного пристрою та трансформатора, регулює вимоги до корпусу та монтажу.

• IEEE C57.12.01 — для північноамериканських специфікацій сухого типу.

• ISO 9223 та ISO 12944 — класифікація корозійності та специфікація системи покриття, як описано вище.

• Сертифікація класифікаційного товариства (наприклад, DNV), якщо цього вимагає проект, зокрема для плавучих або морських підстанцій.

Що вимагати перед покупкою

Короткий чіткий контрольний список для команд із закупівель:

1. Заявлена ​​архітектура охолодження з тепловим запасом. Теплообмінник, водяний контур, примусова вентиляція або робота зі зниженням — назва, із кількісним визначенням зниження або запасу.

2. Специфікація шляху витоку виправдана для забрудненої, зволоженої поверхні , а не просто дотримання мінімуму чистоти.

3. План управління конденсацією , включаючи роботу нагрівача під час відключень і графік осушувача або осушення, з реалістичним інтервалом втручання з доступом до берега.

4. Заява щодо вібрації та динамічної кваліфікації щодо фактичного середовища гондоли, включаючи положення щодо кріплення та кріплення, що запобігають ослабленню.

5. Система покриття, визначена стандартом — система ISO 12944, ступінь підготовки поверхні та товщина сухої плівки, із зазначенням країв і деталей кріплення.

6. Чітко зазначені позначення класів — кліматичний, екологічний та пожежний клас, плюс рейтинг IP, плюс категорія корозійності.

7. План ремонтопридатності, який враховує вартість доступу. Конструкція, яка потребує рейсу судна кожні шість місяців для обслуговування фільтра, має загальну вартість, яка затьмарює його вартість придбання, і ця вартість належить до оцінки.

Чесне резюме

Сухі трансформатори є правильною відповіддю для офшорних гондол з міркувань протипожежної безпеки та збереження масла, з якими жодна інша технологія не зрівняється в цьому місці. Але соляний туман, конденсація, парадокс ущільнення та вібрація не зникають через масло. Вони перетворюють проблеми, з якими масло справляється пасивно, на проблеми, які конструкція повинна вирішувати активно — з подовженою плинністю, гідрофобними поверхнями, навмисним управлінням вологістю, архітектурою охолодження, вибраною з огляду на тягар технічного обслуговування, і механічною конструкцією, яка розглядає кожне кріплення як компонент, що втомлюється.

Офшорна вітрова енергетика винагороджує проекти, які чітко вказують ці механізми, і карає — дорого, у морі, у погодне вікно — ті, які припускають, що герметичний корпус і морське покриття разом складають повну відповідь. Вони цього не роблять. Це перші два кроки в довгому інженерному аргументі та трансформера в морі залежить від того, наскільки добре зроблено все інше. Тридцятирічне життя