山西電網(wǎng)500 kV三相共體變壓器的選型研究

王剛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院，山西太原030001）

山西電網(wǎng)500 kV三相共體變壓器的選型研究

王剛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院，山西太原030001）

針對500 kV變電站單相和三相共體變壓器，分別從絕緣水平、冷卻方式、主分接阻抗和損耗等幾個方面進(jìn)行了分析對比。對三相共體變壓器的運輸方案、現(xiàn)場組裝技術(shù)和場地布置情況進(jìn)行了研究。通過對500 kV變電站主變壓器的選型研究，證明采用三相共體變壓器，既可以節(jié)約整個工程的占地面積，又降低了投資造價。

變壓器；短路阻抗；絕緣水平

0 引言

500 kV超高壓大型變電站中的主變壓器是變電站的核心元件，主變壓器的型式和參數(shù)的確定不但關(guān)系到變壓器的結(jié)構(gòu)和工程投資，對電網(wǎng)的安全可靠運行也有著重要影響[1]。根據(jù)近年來500 kV變電站建設(shè)的情況，變壓器的型式和參數(shù)往往因設(shè)計情況不同而存在差別，在以往建設(shè)的500 kV變電站工程中均采用單相變壓器，而三相共體變壓器由于具有連接部件少、事故率較低、安裝和維護(hù)工作量小、造價便宜、節(jié)省占地等優(yōu)點，并隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展，已經(jīng)越來越多地被采用，這對于減少網(wǎng)損，提高電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟(jì)效益十分有利。但其重量和結(jié)構(gòu)尺寸均比較大，這給生產(chǎn)制造、設(shè)備運輸帶來了較大的困難[2]。因此當(dāng)變壓器設(shè)備的制造能力和運輸條件均滿足要求時，從變電站工程建設(shè)和投資的角度考慮，對于采用三相變壓器的可行性，需要綜合分析其與單相變壓器在技術(shù)參數(shù)、造價控制、布置優(yōu)化等方面進(jìn)行綜合比較，然后確定變壓器采用的結(jié)構(gòu)型式。

1 技術(shù)參數(shù)分析

目前，500 kV變電站主變壓器的選型主要分為單相變壓器和三相共體變壓器兩種。近年來為解決三相共體變壓器體積大、重量大等運輸難題，出現(xiàn)了分解式運輸三相共體式變壓器，簡稱現(xiàn)場組裝式變壓器ASA（Advanced Site Assembly Transformer）。國內(nèi)外大型變壓器公司都可以生產(chǎn)單相變壓器，國內(nèi)的特變電工衡變、常州東芝、西電變壓器、保定天威變壓器和特變電工沈變和國外ABB、西門子等公司均有三相共體變壓器的生產(chǎn)及供貨經(jīng)驗。

下面以榆次北500 kV變電站工程中由西變實際供貨的ASA變壓器為例，分析單相與三相共體變壓器在同等容量和電壓等級下的絕緣水平、冷卻方式、主分接阻抗和損耗等主要技術(shù)參數(shù)。

由表1和表2可以看出，ASA變壓器與單相變壓器主分接阻抗和絕緣水平相同，而冷卻方式和空載損耗、負(fù)載損耗有所不同。

由于單相變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)簡單、繞組線圈數(shù)量較少，采用自然油循環(huán)風(fēng)冷ONAN（OilNatural Air Natural）/自然油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷ONAF（OilNatural Air Forced）方式已經(jīng)能夠滿足冷卻需求。而三相共體變壓器單體油箱采用三芯五柱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要采用強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷ODAF（Directed Forced-oil and Forced-air Cooled）方式進(jìn)行油流強(qiáng)迫導(dǎo)向循環(huán)冷卻。

表1 西變500 kV ASA變壓器主要技術(shù)參數(shù)表

表2 西變500 kV單相變壓器主要技術(shù)參數(shù)表[3]

以容量為1 000MVA的ASA變壓器為例，冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)功率為7×4.4=30.8 kW，油泵功率為7×3=21kW，總功率51.8kW；單相容量為334MVA的變壓器冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)功率約為15～18 kW，三相總功率45～54 kW。通過計算，兩種型式的變壓器冷卻系統(tǒng)總功率相差無幾，變壓器本體電能損耗相同。但單相變壓器每相需要配置一組冷卻系統(tǒng)，其附屬設(shè)備故障概率要高于三相共體變壓器。

ASA變壓器與單相變壓器空載和負(fù)載損耗相近，但ASA三相共體變壓器略大。這是因為西變生產(chǎn)的ASA三相共體變壓器需將變壓器上下截油箱分開運輸，現(xiàn)場組裝，線圈繞組間隙增大。若要降低損耗值對絕緣要求又會提高，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析并結(jié)合廠界噪聲計算，空載損耗要求不大于240 kW，負(fù)載損耗要求不大于1 440 kW。

如果采用三相共體變壓器整體運輸，由于鐵芯磁路和型式的區(qū)別，綜合空載和負(fù)載損耗略小于單相變壓器。

綜合而言，對于同容量、同電壓等級、同阻抗的500 kV變壓器，其型式選擇三相共體或單相變壓器，空載和負(fù)載損耗相近。

表3為衡變實際供貨的ASA三相共體變壓器產(chǎn)品。將表1和表3進(jìn)行對比可知，變壓器絕緣水平相同，但表3中的短路阻抗略低，空載損耗和負(fù)載損耗也相應(yīng)降低。這是因為對于芯式變壓器而言，當(dāng)取較大的短路阻抗時，就要增加線圈的匝數(shù)，即增加了導(dǎo)線重量或是增大漏磁面積，從而增加了鐵芯的重量，負(fù)載損耗也會相應(yīng)增大[4]。由此可見，阻抗越高，相應(yīng)成本越大。尤其是對于多繞組變壓器來說，這樣的現(xiàn)象更為突顯。所以短路阻抗的合理選擇對于500 kV三相共體變壓器非常重要。

表3 衡變500 kV三相共體變壓器主要技術(shù)參數(shù)表（ASA）

經(jīng)短路電流計算，短路阻抗分別取高—中18%、高—低58%、中—低38%，可滿足榆次北站遠(yuǎn)景年短路電流水平要求。與初設(shè)方案相比，高中側(cè)短路阻抗由20%降低到18%，降低了變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗，同時減少了線圈匝數(shù)，節(jié)省了導(dǎo)線，降低了變壓器制造成本。

2 運輸方案分析

對于容量為1 000MVA的三相共體變壓器和ASA變壓器，目前國內(nèi)部分廠商的生產(chǎn)和供貨經(jīng)驗見表4。單相變壓器國內(nèi)主要變壓器廠已有大量運行經(jīng)驗，所以不再考慮。

表4 國內(nèi)1 000 MVA/500 kV三相共體及ASA變壓器

由表4可見，國內(nèi)已經(jīng)具備500 kV電壓等級的大容量三相共體和ASA變壓器的制造能力以及運行經(jīng)驗。對于此類變壓器的選擇與使用具有很高的可實施性。

2.1 ASA變壓器的運輸

從以上分析可見，對于500 kV電壓等級的大容量三相共體變壓器其制造工藝和供貨經(jīng)驗已經(jīng)不是變壓器選型可實施性的關(guān)鍵[5]。此類變壓器，由于體積大、重量大，運輸將成為工程可實施性中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

1.1 節(jié)中介紹的3種變壓器的運輸尺寸及重量如表5所示。

表5 500kV不同型式變壓器運輸差異表

由表5可見，對于相同容量、不同型式的500kV變壓器，ASA變壓器的最大運輸重量最小只有65 t，其運輸尺寸與三相共體變壓器接近。單相變壓器尺寸最小，重量居中。

三相共體變壓器其重量大，運輸難度高，需要依據(jù)工程實際情況進(jìn)行大件運輸方案設(shè)計。對于目前國內(nèi)的運輸條件以及經(jīng)驗，單相變壓器的運輸困難不大，相比較而言重量更小的ASA變壓器運輸條件更為成熟。下面就ASA變壓器研究其解體運輸方案。

a）鐵芯框架分解。ASA變壓器單件部件（含包裝物）的最大運輸重不超過65 t，該類產(chǎn)品鐵芯采用三相、五柱、四框架組合式結(jié)構(gòu)，下夾件設(shè)計成可斷開拼裝式，由四部分組成，為考慮整體性機(jī)械強(qiáng)度上夾件設(shè)計成為常規(guī)性整體夾件，按常規(guī)三柱、五柱式鐵芯疊裝而成，經(jīng)試驗合格后，運輸時上部換成運輸專用臨時夾件。運輸時將鐵芯分解為4個單獨的鐵芯框，并分別放到相應(yīng)的運輸油箱內(nèi)充干燥空氣或氮氣運輸。為控制運輸重量，上鐵軛拆下放在專用的運輸箱內(nèi)運輸，為方便現(xiàn)場插片，鐵軛共分為兩個運輸箱運輸。

b）上節(jié)油箱運輸。上節(jié)油箱運輸蓋板上焊有專用的運輸支架，運輸支架根據(jù)現(xiàn)場裝配順序共分為3層，下鐵軛地屏、下部器身墊塊放在最上層，然后依次是引線木件層和引線層。

c）線圈油箱運輸。每個線圈分別裝箱，固定牢固，并充干燥空氣或氮氣運輸。無勵磁調(diào)壓分接開關(guān)安裝到專用運輸桶內(nèi)抽真空充油運輸。變壓器的其他組部件按常規(guī)產(chǎn)品裝箱運輸。變壓器油用添加油桶運抵現(xiàn)場。

2.2 ASA變壓器現(xiàn)場組裝介紹

ASA變壓器的特點在于其需要在現(xiàn)場搭建變壓器組裝廠房，進(jìn)行現(xiàn)場組裝。當(dāng)各運輸組件到達(dá)組裝廠房后，按照圖1順序進(jìn)行組裝。

圖1 變壓器現(xiàn)場組裝流程

從以上分析可見，對于ASA變壓器運輸難度小，但現(xiàn)場工作量較大，生產(chǎn)周期及廠內(nèi)試驗約為5～6m，運輸及現(xiàn)場組裝約1m，安裝就位約1m，與單相變壓器相比增加兩個環(huán)節(jié)，廠內(nèi)拆裝和現(xiàn)場組裝，雖三相變壓器同時就位，總體時間較長一些，但相對于國家電網(wǎng)公司要求的變電站15～18周建設(shè)工期，完全可以滿足時間要求。

3 工程布置分析

以下主要基于單相、三相共體和ASA三類變壓器進(jìn)行工程布置分析。

a）3臺容量為334MVA的500 kV單相變壓器按照一字型布置，需要設(shè)置3個油池以及4面防火墻，主變壓器構(gòu)架長度為37.5m，占地面積約為37.5×1.5=431.25m2（按防火墻寬度計算）。

每相中性點需加跳線短接，主變壓器低壓側(cè)通過低壓母線構(gòu)成△接線，安裝維護(hù)較為麻煩。

b）1臺容量為1 000MVA的500 kV三相共體變壓器和ASA變壓器二者布置方式相同，均只需設(shè)置一個油池，主變壓器構(gòu)架長度26m。目前國內(nèi)外所生產(chǎn)的1 000MVA三相共體和ASA變壓器長度都不會大于16m，寬度不大于11.5m，兩主變之間按變壓器外輪廓最外側(cè)計算，大于10m，不需要設(shè)置防火墻。一組主變壓器占地面積約為26× 13.5=351m2（按油池寬度計算）。相比同容量單相變壓器節(jié)省約20%占地面積。

可見，采用三相共體和ASA變壓器，極大地節(jié)約了工程占地面積。在工程設(shè)計中更重要的是，主變占地面積的縮小還將帶來整個主變無功區(qū)域配電裝置占地面積的改變。單相變壓器與ASA變壓器在工程布置上的優(yōu)缺點如表6所示。

表6 不同型式500 kV變壓器布置方式優(yōu)缺點對比表

4 小結(jié)

綜上所述，通過主變壓器的選型研究，從可靠性、技術(shù)參數(shù)及占地等方面分析，同時結(jié)合本站運輸路徑和安裝空間等方面的綜合選擇，500 kV變電站采用三相共體ASA變壓器，節(jié)約了整個工程的占地面積，降低了投資造價，起到了很好的引領(lǐng)示范作用。

［1］王曉京.500 kV變電站主變壓器的選型問題［J］.電力設(shè)備，2006（2）：68-71.

［2］王尉，徐敏若，焦永軍.500 kV變電站主變壓器運輸方案的優(yōu)化［J］.江蘇電機(jī)工程，2002（5）：25-27.

［3］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 6451—2008油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求［S］.北京：中國電力出版社，2008：38-39.

［4］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 17468—2008電力變壓器選用導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2008：5-6.

［5］孫樹波，高煒，王壽民，等.720MVA/500 kV三相發(fā)電機(jī)變壓器的開發(fā)設(shè)計（上）［J］.變壓器，2001（4）：1-5.

［6］吳昌垣.低溫高潮濕氣候條件下的500 kV三相共體ASA主變現(xiàn)場組裝及安裝技術(shù)［J］.電力建設(shè)，2009（6）：51-53.

Research on the Selection of 500 kV Three-phase Transformer for Shanxi Power Grid

WANG Gang
（Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Single-phase and three-phase transformers at 500 kV substation are analysed from the aspects of insulation level，coolingmethods，main connector impedance and tap impedance etc..Then，the transportation plan，field assembly technology and site layout for three-phase transformer are studied.The research on the selection ofmain transformer for 500 kV substation leads to the conclusion thatchoosing three-phase transformer isnotonly area-savingbutalso cost-saving.

transformer；short-circuitimpedance；insulation level

TM411+.2

B

1671-0320（2014）04-0022-04

2014-04-28，

2014-05-22

王剛（1983-），男，山西長治人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，工程師，從事變電站一次設(shè)備的設(shè)計和研究工作。