淺談AP1000核電機(jī)組主變等變壓器的選型

倪建偉

摘 要：根據(jù)AP1000核電機(jī)組的特點(diǎn)，結(jié)合核電設(shè)備的安全性、可靠性、技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)性要求，從變壓器的容量、結(jié)構(gòu)、冷卻方式和調(diào)壓方式等方面對(duì)主變等變壓器選型進(jìn)行了分析和比較。

關(guān)鍵詞：變壓器；調(diào)壓方式；冷卻方式；核電機(jī)組

中圖分類號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.092

主變等變壓器是發(fā)電廠內(nèi)重要的電氣一次設(shè)備，它通過(guò)電磁耦合將發(fā)電機(jī)出口處的電壓轉(zhuǎn)換成同頻率的電網(wǎng)電壓，完成電能的送出。在核電領(lǐng)域，主變等變壓器極其重要，國(guó)家核安全局已將主變納入了監(jiān)管范圍。

1 主變等變壓器的容量選擇

新建電廠要確定電廠的規(guī)模和裝機(jī)容量，并確定主變等變壓器的容量、臺(tái)數(shù)。主變等變壓器的容量、臺(tái)數(shù)直接影響著主接線的形式和配電裝置的結(jié)構(gòu)。AP1000海陽(yáng)核電和三門核電規(guī)劃建設(shè)三期六臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組，在建一期工程發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)為：?jiǎn)螜C(jī)容量為1 266.3 MW，額定功率因數(shù)為0.9，額定電壓為24 kV，發(fā)電機(jī)與變壓器的組合方式為單元接線，所配主變壓器高壓側(cè)的額定電壓為500 kV，低壓側(cè)的額定電壓為24 kV（與離相封閉母線連接）；連接組別為YN，d11.

AP1000非能動(dòng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)、減少了應(yīng)急安全電源等設(shè)備，廠用電回路負(fù)荷也隨之減少。以海陽(yáng)核電為例，汽輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量為1 266.3 MW，廠用電率暫按5%計(jì)算，根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的容量計(jì)算原則，可算出主變?nèi)萘繛? 336 MVA，型式為三相分體變壓器時(shí)，每臺(tái)主變的單相容量為445 MVA。

目前，三門核電配置了7臺(tái)DFP-484MVA單相變壓器，其容量依據(jù)西屋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定，并考慮了足夠的裕量；海陽(yáng)核電主變按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單相額定連續(xù)容量為442 MVA，比三門核電的容量小。

根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程，高壓廠用工作變壓器的容量宜按高壓電動(dòng)機(jī)計(jì)算負(fù)荷與低壓廠用電的計(jì)算負(fù)荷之和選擇；高壓廠用/備用變壓器或啟動(dòng)/備用變壓器的容量不應(yīng)小于高壓廠用工作變壓器中容量最大的一臺(tái)。

對(duì)于容量為600 MW及以上的機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口裝有斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)時(shí)，高壓廠用備用變壓器的容量可按一臺(tái)高壓廠用工作變壓器容量的60%～100%選擇。以海陽(yáng)核電為例，依據(jù)廠用電負(fù)荷估算，高廠變與輔助變的容量一致，均為88 MVA。

2 主變等變壓器型式的選擇原則

2.1 相數(shù)的確定

三相共體變壓器的三相繞組共用一個(gè)鐵芯、外殼，且采用整體安裝到現(xiàn)場(chǎng)的方式，其主要優(yōu)點(diǎn)為價(jià)格低、占地面積小、安裝方便、漏油點(diǎn)少、維護(hù)方便，且運(yùn)行損耗可降低12%～15%；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果發(fā)生故障，則很難在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)，且對(duì)運(yùn)輸?shù)囊筝^高。

在330 kV及以下電力系統(tǒng)中，如果不受運(yùn)輸條件的限制，一般可選擇三相共體變壓器，因此，三門核電、海陽(yáng)核電輔助變和高廠變均采用了三相共體變壓器，帶油運(yùn)輸量為120～140 t。

三相分體變壓器即三臺(tái)單相變壓器，三臺(tái)單相變壓器間應(yīng)具備防火距離或設(shè)置防火墻等，其特點(diǎn)是價(jià)格高昂、占地面積大。采用三相分體變壓器可解決超大件運(yùn)輸問(wèn)題，還可解決布置區(qū)域過(guò)大的問(wèn)題。對(duì)于500 kV發(fā)電廠，應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證選用三相變壓器或單向變壓器組。如果采用三相分體式變壓器，通常會(huì)多采購(gòu)一臺(tái)參數(shù)合適的備用變壓器，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，換上備用相后可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電。目前，三門核電、海陽(yáng)核電項(xiàng)目主變壓器均采用三相分體式變壓器，單相質(zhì)量為140 t，帶油運(yùn)輸量為215 t，可采用陸路運(yùn)輸或水路運(yùn)輸?shù)姆绞?；如果選用三相共體變壓器，帶油輸運(yùn)量約為500 t，且最好選則水路運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

2.2 繞組數(shù)的確定

變壓器按其繞組數(shù)可分為雙繞組式、三繞組式及低壓繞組分裂式等形式。發(fā)電廠最大容量為600 MW及以上的機(jī)組一般采用發(fā)電機(jī)-雙繞組變壓器單元接線形式接入系統(tǒng)；如果發(fā)電廠有兩個(gè)升高電壓時(shí)，常使用三繞組變壓器（或自耦變）作為聯(lián)絡(luò)變壓器，低壓繞組作為廠用啟動(dòng)電源或廠用備用電源，其主要作用是實(shí)現(xiàn)高、中壓的聯(lián)絡(luò)。

對(duì)于分裂式繞組變壓器，在變壓器高壓側(cè)只有一個(gè)繞組，低壓側(cè)有兩個(gè)電壓、阻抗、容量、接線組別相同的繞組。其主要用于向大型發(fā)電機(jī)廠送電，如果一個(gè)低壓繞組故障，另一個(gè)低壓繞組仍能繼續(xù)運(yùn)行。AP1000核電項(xiàng)目的高廠變和輔助變均為三相分裂式繞組變壓器，根據(jù)分裂方式的不同，分為幅相分裂和軸向分裂。

2.3 繞組連接方式的確定

變壓器的連接方式必須與系統(tǒng)電壓相位一致，否則無(wú)法并列運(yùn)行。電力系統(tǒng)采用的繞組連接方式只有“Y”形和“△”形，高、中、低三側(cè)繞組的組合方式可根據(jù)工程的實(shí)際情況確定。

2.4 變壓器調(diào)壓方式的選擇

調(diào)壓方式分為有載調(diào)壓和無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓兩種。有載調(diào)壓比無(wú)載調(diào)壓的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、維修工作量大、故障率高。當(dāng)潮流方向不固定，且要求變壓器的二次電壓維持在一定水平時(shí)，應(yīng)采用有載調(diào)壓的方式，廠用變壓器采用有載調(diào)壓的方式有利于降低廠用電切換時(shí)的壓差，從而減小切換過(guò)程中的環(huán)流，還可作為啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中調(diào)節(jié)廠用母線電壓的手段，因此，AP1000海陽(yáng)核電和三門核電的高廠變和輔助變均采用了有載調(diào)壓的方式；無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓又稱空載調(diào)壓，即將變壓器二次側(cè)所有的用電設(shè)備全部斷開(kāi)后，才操作一次側(cè)的調(diào)壓端子，操作安全性非常高，但無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)不具備熄滅電弧的功能，帶電操作或觸頭拉弧時(shí)易造成短路或觸頭熔焊，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致變壓器爆炸，因此，嚴(yán)禁帶電操作無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)。目前，大容量電廠的主變壓器絕大多數(shù)選用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓開(kāi)關(guān)，我國(guó)生產(chǎn)的500 kV發(fā)電機(jī)升壓變壓器的高壓側(cè)均帶有無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓開(kāi)關(guān)，AP1000海陽(yáng)核電和三門核電的主變均采用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓的方式。

2.5 變壓器冷卻方式和冷卻介質(zhì)的選擇

2.5.1 變壓器冷卻方式的選擇

運(yùn)行中的變壓器存在短路和空載損耗的情況，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的溫度升高。為了使變壓器的溫度不超過(guò)允許值，應(yīng)采用變壓器油冷卻變壓器。變壓器的冷卻方式在不斷創(chuàng)新，目前仍在使用的冷卻方式有自冷、風(fēng)冷和水冷。

油浸自冷式是指以油的自然對(duì)流作用將熱量帶至油箱壁和散熱管，然后依靠空氣的對(duì)流傳導(dǎo)作用散發(fā)熱量；油浸風(fēng)冷式是指在油浸自冷式的基礎(chǔ)上，在油箱壁或散熱管上加裝風(fēng)扇，利用吹風(fēng)機(jī)冷卻。加裝風(fēng)冷后可使變壓器的容量增加30%～35%.

強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式又分強(qiáng)油風(fēng)冷和強(qiáng)油水冷兩種，冷卻原理為利用油泵將油打入油冷卻器后復(fù)回油箱冷卻。油冷卻器可做成易散熱的特殊形狀，并利用風(fēng)扇或循環(huán)水作冷卻介質(zhì)帶走熱量。采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式時(shí)，如果將油的循環(huán)速度提升至自然對(duì)流時(shí)的3倍，則變壓器可增加30%的容量。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)生產(chǎn)的500 MVA及以上大型變壓器大多采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷（OFAF/ODAF）的方式，在不同的環(huán)境溫度下，投入不同數(shù)量的冷卻器可使變壓器滿足相關(guān)運(yùn)行要求。

AP1000核電項(xiàng)目高廠變和輔助變的冷卻方式為ONAF/ONAN（100%/70%）。當(dāng)負(fù)載<70%時(shí)，通過(guò)自冷冷卻；當(dāng)負(fù)載>70%時(shí)，全套散熱系統(tǒng)啟動(dòng)，油浸風(fēng)冷式可完全滿足冷卻要求。

2.5.2 變壓器冷卻介質(zhì)的選擇

變壓器油在變壓器絕緣和散熱中起著重要的作用。我國(guó)的變壓器油產(chǎn)品以凝固點(diǎn)來(lái)劃分牌號(hào)，分別為10#、25#和45#。以海陽(yáng)核電廠的條件為例，其最低環(huán)境溫度為-16.3 ℃（1996-02-06），因此，主變、高廠變、輔助變均采用了25#變壓器油。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)影響變壓器選型的單相和三相共體變壓器的選擇、繞組的選擇、調(diào)壓方式的選擇、變壓器冷卻方式的選擇等進(jìn)行了討論，并結(jié)合AP1000核電選型實(shí)例展開(kāi)了分析，有利于相關(guān)單位把好變壓器的選型關(guān)，科學(xué)、合理地選擇變壓器結(jié)構(gòu)和相關(guān)性能指標(biāo)。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： According to the characteristics of AP1000 nuclear power plant， combining the safety， reliability， technical rationality and economic requirements of nuclear power plant， this paper analyzes and compares the transformer's capacity， structure， cooling mode and the way of adjusting and pressing.

Key words： transformer； voltage regulation； cooling mode； nuclear power plant