750 kV單相三繞組雙體組合式變壓器工程應用研究

孫強，鄭楠，尚勇，王中陽，鄒家勇，李龍才

（1.陜西省電力公司規(guī)劃評審中心，陜西西安 710065；2.西南電力設計院，四川成都 610021）

750 kV單相三繞組雙體組合式變壓器，簡稱750 kV組合式變壓器，是指利用2臺結(jié)構相同或相近的小容量變壓器，通過并列或繞組并聯(lián)的方式來代替單臺大容量變壓器，2個變壓器共用高壓和中壓油氣套管。

1 組合變壓器優(yōu)點及應用現(xiàn)狀

隨著750 kV電網(wǎng)建設大規(guī)模展開，在國家電網(wǎng)公司的指導和設備制造企業(yè)的共同努力下，西北地區(qū)750 kV電氣主設備裝備水平有了很大提高[1-8]。但是對于750 kV變壓器來說，目前尚存在一些運輸和使用上的問題需要解決。一是由于750 kV變壓器體積較大，大件運輸較為困難；二是為了保證電網(wǎng)的安全運行，在一個或幾個變電站內(nèi)必須設置備用相，增加了工程的投資；三是雖然設置了750 kV變壓器備用相，但更換變壓器的時間為70 d左右，停電時間長，對電網(wǎng)安全可靠運行造成很大影響；四是在運行前期電網(wǎng)實際的負荷比較小，主變大多數(shù)時間處于低負荷運行工況，此時空載損耗在變壓器總損耗中所占比重較大，經(jīng)濟性不高。

目前西北電網(wǎng)750 kV變電站裝設1組主變的情況較為常見，“單站單變”運行可靠性較低，故障停電長，影響較大。另外，在變電站運行的前期負荷較低，變壓器長期處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)。

750 kV組合變壓器具有以下優(yōu)勢：一是每相由2個變壓器組合而成，在相同容量的條件下，組合式變壓器方案可以降低變電站內(nèi)主變壓器運輸尺寸及運輸重量，特別是對于西北偏遠地區(qū)工程，可有效解決大件運輸難題；二是每相的2個變壓器可以互為備用，節(jié)省了備用相的投資；三是由于采用了2臺組合的方式，在其中某臺變壓器故障時，可以僅跳開故障變壓器，變電站可以在半容量下連續(xù)運行，變壓器的備用率達到100%，而常規(guī)變壓器方案的備用率為33%，提高了系統(tǒng)運行的靈活性及可靠性；四是在系統(tǒng)低負荷運行時，通過減少投入容量能有效降低主變壓器空載損耗。

目前，組合式變壓器在國外已有成熟應用經(jīng)驗。在韓國，新安城765 kV變電站為了解決變壓器運輸問題，采用了組合式變壓器方案。其整體結(jié)構如圖1所示。

圖1 韓國新安城765 kV變電站組合式變壓器圖Fig.1 The combined transformer in 765 kV substation,Xin′an,South Korea

該方案組合式變壓器由2臺1/2容量變壓器對稱布置，兩側(cè)變壓器采用油氣套管連接后，再共用GIS套管分別接入高壓和中壓GIS配電裝置。主變與配電裝置連接采用全GIS結(jié)構，主變出線套管與配電裝置進線套管共用，解決了高壓、大容量變壓器運輸難題。

2 750 kV組合變壓器技術與經(jīng)濟分析研究

針對西北地區(qū)某變電站采用組合式變壓器，本節(jié)從設備外形尺寸、運輸費用和運行損耗等方面做了相應的技術經(jīng)濟性比較。

2.1 750 kV組合式變壓器設備尺寸

750 kV組合變壓器為單相、自耦變壓器，單相容量設計為700 MV·A，由2個小容量變壓器組成，單個變壓器容量為350 MV·A。采用內(nèi)置隔離開關方式，將2個變壓器連接，750 kV和330 kV側(cè)通過油-SF6套管與SF6隔離開關連接在一起，2個變壓器共用一套高、中壓套管，低壓套管和中性點套管獨立。2個變壓器油路獨立，分別設有獨立的冷卻系統(tǒng)。750 kV組合變壓器外形尺寸如圖2所示。

圖2 組合式變壓器外形尺寸Fig.2 Dimensions of the combined transformer

采用內(nèi)置隔離開關的2×350 MV·A組合式變壓器方案后，設備外形尺寸較單臺700 MV·A變壓器有所增大。但由于組合式變壓器可實現(xiàn)拆分運輸，其單臺運輸尺寸及運輸重量較單臺700 MV·A變壓器大大減小。表1就組合式變壓器設備外形尺寸及運輸尺寸與單臺700 MV·A變壓器進行了比較。

表1 常規(guī)變壓器與組合變壓器參數(shù)對比Tab.1 Parameters comparison of the conventional transformer and the combined transformer

采用組合式變壓器方案，在設備外形尺寸上，較單臺700 MV·A變壓器有較大增加。由于共用高、中壓套管，內(nèi)置隔離開關，組合式變壓器寬度大為增加，但在運輸尺寸和運輸重量上卻有較大優(yōu)勢。根據(jù)表1可知，采用組合式變壓器方案，運輸高度和寬度與采用常規(guī)700 MV·A方案相比無明顯差別，運輸長度減少20%～30%，運輸重量減小25%～30%。

2.2 運輸費用比較

考慮使用組合式變壓器方案后，運輸尺寸與運輸重量均有較大程度下降，且不存在備用相，而在單相700 MV·A方案中，考慮一臺備用相時，需運輸4臺大容量變壓器，對于組合式變壓器方案，由于可以拆分運輸，且不存在備用相運輸問題，因此，共需運輸6個變壓器。常規(guī)變壓器與組合變壓器的費用對比如表2所示。

表2 常規(guī)變壓器與組合變壓器運輸費用對比Tab.2 Transportation cost comparison of the conventional transformer and the combined transformer

對于組合式變壓器方案，運輸時，沿路公路處理措施均有不同程度減少，因此，運輸時間有較大縮短。綜合運輸費用與運輸時間，并考慮到隨著組合式變壓器技術的成熟，其運輸尺寸可能會有進一步縮小，其運輸優(yōu)勢將更加明顯。

2.3 組合式變壓器損耗分析

在電網(wǎng)運行的前期，此時700 MV·A變壓器長期處于低負荷運行狀態(tài)，存在較大的容量浪費現(xiàn)象，其損耗也主要以空載損耗為主，采用組合式變壓器方案?？梢栽谠缙趦H投運1/2容量（350 MV·A），能大大降低變壓器空載損耗，具備良好的節(jié)能效果。

2.3.1 變壓器空載損耗

采用組合式變壓器方案，在早期負荷較小的情況下，由于僅投運一臺350 MV·A變壓器，變壓器鐵芯體積減小，根據(jù)空載磁滯損耗和渦流損耗（忽略空載時的雜散損耗）計算公式：

式中，C是由硅鋼片材料和厚度決定的系數(shù)；Bm為勵磁磁通；f為運行系統(tǒng)頻率；V為鐵芯體積。

在鐵芯材質(zhì)、厚度、電壓、頻率等因素不變的情況下，空載損耗與鐵芯體積成正比，因此，采用組合式變壓器在單變壓器運行時，相對于運行1臺700MV·A變壓器而言，早期或負荷較小時變壓器空載損耗將會明顯減小。

2.3.2 變壓器負載損耗

變壓器的負載損耗主要包括變壓器繞組基本銅耗和繞組附加損耗及由漏磁場帶來的雜散損耗等。其中變壓器基本銅耗（含環(huán)流流電阻損耗）約占總負載損耗的70%，繞組附加損耗及雜散損耗約占30%。變壓器繞組基本銅耗主要與繞組等效電阻有關，其計算公式為：

式中，I1，I2為變壓器運行原邊和副邊電流值；R為折算到運行狀態(tài)的等效電阻值。

當采用組合式變壓器方案時，單臺350 MV·A變壓器由于輸出容量較小，其一、二次繞組截面會減小，繞組等效電阻將有所增加，同時為了保證遠期2臺投運2臺并聯(lián)運行350 MV·A變壓器時，其運行阻抗值與系統(tǒng)要求的1臺700 MV·A變壓器一致，早期投運1臺350 MV·A變壓器時，其阻抗有名值應為1臺700 MV·A變壓器2倍，1臺350 MV·A容量變壓器運行時，等效基本銅耗將、繞組附加損耗及雜散損耗降有所增加。但由于負載損耗與負載電流呈平方關系，隨著負荷的下降，負載損耗降急劇下降，因此，在大容量變壓器低負荷運行狀態(tài)時，空載損耗為損耗的主要部分，此時，使用組合式變壓器采用1/2容量運行方式，可降低空載損耗，從而達到節(jié)能的目的。不同負荷下的損耗值如圖3所示。

圖3 常規(guī)變壓器與組合變壓器不同負荷損耗圖Fig.3 Loss curves of the conventional transformer and the combined transformer with different loads

由負荷－損耗曲線，在負荷150 MV·A以下時，組合式變壓器損耗要小于普通700 MV·A變壓器，如果某站主變負荷在前10年負荷率僅為105 MV·A，此時若采用700 MV·A單臺主變運行方式，則對應的損耗約168 kW，若采用組合式變方案，僅運行1/2容量，此時損耗約144 kW，損耗約減少24 kW，約14.3%，按105 MV·A負荷運行10年計算，可節(jié)能：

考慮三相，則一組組合式變壓器在運行前10年，可節(jié)能約6307.2 MW·h。由此可見，在變電站運行前期負荷較小的情況下，組合式變壓器具備一定的節(jié)能效果。

3 750 kV組合變壓器布置方案研究

采用組合式變壓器方案，會帶來寬度上較大的增加，在工程實施上，站內(nèi)設備布置會有較大的不同。針對西北地區(qū)某變電站，從占地、設備布置等方面與原單臺700 MV·A變壓器方案進行比較分析。

3.1 普通變壓器方案布置

對于普通變壓器方案，采用700 MV·A單相自耦變壓器，尺寸約為：14.5 m（L）×8.0 m（W）×14.0 m（H），暫時考慮取油坑尺寸為：17.5 m（L）×10.0 m（W），750 kV和330 kV側(cè)均采用架空線引接分別進入750 kV配電裝置和330 kV配電裝置，66 kV側(cè)采用軟導線引接到66 kV變壓器母線上。完成“Δ”接線后，再經(jīng)總斷路器引至66 kV主母線。其布置如圖4所示。

由圖4可以看出，單組變壓器布置尺寸約為66 m（L）×12 m（W），高、中壓側(cè)采用架空線引接，低壓側(cè)采用軟導線引接，主變壓器高壓側(cè)設置運輸、檢修道路。主變采用圖4布置后，750 kV變電站總平面布置如圖5所示。

3.2 組合式變壓器方案布置

對于組合式變布置方案，外形尺寸為：13 m（L）×23 m（W）×15 m（H），2臺變壓器之間通過油氣套管連接，共用高低壓出線套管，低壓側(cè)由于設置了“Δ”接線管母線，則只需將低壓套管直接引出至管母，即可實現(xiàn)并聯(lián)。750 kV和330 kV側(cè)均采用架空線引接分別進入750 kV和330 kV配電裝置，66 kV側(cè)經(jīng)由軟導線連接到66 kV變壓器母線上，利用母線完成并聯(lián)和“Δ”接線后，再經(jīng)總斷路器引至66 kV主母線。油坑的尺寸考慮為：26 m（L）×16 m（W），其布置如圖6所示。

圖4 常規(guī)變壓器布置方案Fig.4 Layout plan of the conventional transformer

圖5 常規(guī)變壓器站內(nèi)平面布置圖Fig.5 Layout plan of the conventional transformer in substation

圖6 組合式變壓器布置圖Fig.6 Layout plan of the combined transformer

由圖4可以看出，由于2臺350 MV·A采用了油氣套管互連，且內(nèi)置隔離開關，導致橫向尺寸有較大增加，其布置尺寸約為90 m（L）×18 m（W）。高、中壓側(cè)采用架空線引接，低壓側(cè)采用軟導線引接，主變壓器高壓側(cè)設置運輸、檢修道路。采用組合式變壓器后，其在站內(nèi)的平面布置圖如圖7所示。

與普通變壓器方案相比，采用組合式變壓器方案，由于寬度增加，導致750 kV進線較常規(guī)變壓器方案困難，全站縱向尺寸需適當加大，通過優(yōu)化布置，全站縱向尺寸比常規(guī)變壓器方案尺寸擴大了8 m，此時全站占地面積增加比普通變壓器方案有所增大，計算可得約增大：2500 m2，合0.25 hm2。但是增加面積不大，通過優(yōu)化設計減小變壓器尺寸以及設計單位優(yōu)化布置設計，可以將占地進一步減小。

4 組合式變壓器控制保護方案

組合式變壓器的控制保護方案：應將組合式變壓器作為一個統(tǒng)一的電氣元件進行控制。并配置以下保護（電量保護均按雙重化配置）：

1）組合式變壓器差動保護；

2）變壓器1差動及后備保護；

圖7 組合式變壓器站內(nèi)平面布置圖Fig.7 Layout plan of the combined transformer in substation

3）變壓器1非電量保護；

4）變壓器2差動及后備保護；

5）變壓器2非電量保護；

6）750 kV短引線保護；

7）330 kV短引線保護。

保護配置如圖8所示。

上述任一保護動作均需跳開三側(cè)斷路器，將整個組合式變壓器退出運行；保護動作后可根據(jù)各分區(qū)保護動作情況判斷故障位置，將故障的分變壓器開關解開后進行檢修，另一臺正常的分變壓器可重新投入運行；但此時組合式變壓器的電氣元件參數(shù)發(fā)生變化，正常的分變壓器重新投入運行前各相關保護需根據(jù)調(diào)度要求修改保護定值。

5 結(jié)論與展望

根據(jù)組合變壓器與常規(guī)變壓器的數(shù)據(jù)，進行技術經(jīng)濟分析，可得出如下結(jié)論。

1）若采用組合式變壓器，由于變壓器本身結(jié)構沒有太多變化，從技術和工藝制造角度分析，技術上不存在困難。

2）采用組合式變壓器并聯(lián)運行時，從系統(tǒng)角度而言，與單臺700 MV·A變壓器區(qū)別不大，但在系統(tǒng)負荷較小的情況下，能夠運行于1/2容量狀態(tài)，提高了系統(tǒng)運行的靈活性。

3）采用組合式變壓器可以取消備用相，2臺變壓器可互為備用，運行方式非常靈活。即使是某相的2臺小容量變壓器均出現(xiàn)故障，也可以將另外兩相組合式變壓器其中一臺轉(zhuǎn)移到故障相，變電站可以在半容量下連續(xù)運行，備用率達到100%，而常規(guī)變壓器方案的備用率為33%，極大地提高了變電站運行可靠性。

4）采用組合式變壓器，在變電站主變故障時，通過停電時操作油-SF6套管中隔離開關，能很快將故障變壓器退出運行，縮短全站停電時間，提高了故障恢復供電能力，從而提高運行可靠性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5）在變電站運行的前期，平均負荷率較低，采用普通變壓器方案，主變長期處于低負荷，非經(jīng)濟運行狀態(tài)，空載損耗大，存在很大的容量浪費現(xiàn)象。采用組合式變壓器方案，能夠在低負荷運行時，減小空載損耗，達到較好的節(jié)能效果。

6）組合式變壓器方案使變壓器的運輸尺寸及重量均有不同程度減少，可降低變壓器運輸難度，減少運輸費用及運輸時間。特別是對于西北偏遠地區(qū)工程，可有效解決大件運輸難題。

7）保護方案配置可滿足組合式變壓器保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。

8）考慮設備投資及工程建設費用，采用組合式變壓器方案比采用常規(guī)變壓器增加占地和投資。

綜上所述，在750 kV變電站采用750 kV單相三繞組雙體組合式變壓器方案具備可行性。采用組合式變壓器能夠提高系統(tǒng)靈活性與可靠性，降低設備制造難度及大件運輸難度，適宜電網(wǎng)運行前期低負荷運行特點。同時，通過750 kV/700 MV·A組合變壓器的研制，將會對后續(xù)開發(fā)單相750 kV/1000 MV·A變壓器以及1000 kV特高壓組合式變壓器，解決其運輸困難的問題提供寶貴的經(jīng)驗，能有力推進我國電力設備生產(chǎn)制造水平。

圖8 組合式變壓器保護配置方案Fig.8 Protection plan of the combined transformer

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