拉哇水電站主變壓器型式選擇

顧 楠

（三峽集團(tuán)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)長(zhǎng)江清源節(jié)能環(huán)保有限公司，湖北 武漢 430062）

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江水電基地川藏界河段，為金沙江上游水電13級(jí)開(kāi)發(fā)中第8級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位為2 702 m，大壩為面板堆石壩，最大壩高234 m。工程區(qū)左側(cè)為四川省巴塘縣拉哇鄉(xiāng)，右側(cè)為西藏自治區(qū)芒康縣竹巴籠鄉(xiāng)，上游為葉巴灘梯級(jí)電站，下游為巴塘梯級(jí)電站。電站裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量500 MW[1]，年平均發(fā)電量為83.64億kW·h，年利用小時(shí)為4 153 h。電站為“十三五”中央支持西藏經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大項(xiàng)目，2019年1月核準(zhǔn)，“十四五”期間投產(chǎn)發(fā)電。

2 基本參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定容量為500 MW，額定功率因數(shù)為0.9，額定電壓18 kV，額定轉(zhuǎn)速125.0 r/min。

總?cè)萘繛? 000 MW及以上、單機(jī)容量為200 MW及以上即可被認(rèn)為大型電廠，根據(jù)拉哇水電站的裝機(jī)容量判斷，拉哇水電站屬于大型電廠，其接線特點(diǎn)為采用穩(wěn)定的單元接線方式，該方式的優(yōu)點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單，具有一定的可靠性，因此最終使用單元接線方式將發(fā)電機(jī)和變壓器進(jìn)行組合，在發(fā)電機(jī)的出口段安裝斷路器設(shè)備；500 kV側(cè)采用3/2接線。

主變壓器額定容量為560 MVA，額定變比為550±2×2.5%/18 kV，連接組別為YN，d11。

3 主變壓器型式

拉哇水電站重大件運(yùn)輸可選用水路公路聯(lián)運(yùn)和鐵路公路聯(lián)運(yùn)兩種方式。其中鐵路運(yùn)輸要求設(shè)備運(yùn)輸尺寸限制在鐵路二級(jí)超限范圍內(nèi)，重量一般不超過(guò)200 t；公路運(yùn)輸受沿線橋梁隧道的荷載標(biāo)準(zhǔn)限值，要求設(shè)備運(yùn)輸重量不超過(guò)150 t[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于超高壓、容量高的主變壓器主要有：

（1）組合式三相變壓器：

（2）整體三相變壓器；

（3）現(xiàn)場(chǎng)組裝式三相變壓器；

（4）單相變壓器組。

上述的整體三相變壓器方案中，以各個(gè)廠家給拉哇水電站提供的各項(xiàng)主變壓器參數(shù)為基礎(chǔ)，一般的三相變壓器的充氮運(yùn)輸總重已超過(guò)270 t，由于運(yùn)輸重量超過(guò)鐵路運(yùn)輸極限，不能滿足電站重大件運(yùn)輸條件，只能采用水路和公路運(yùn)輸。根據(jù)拉哇水電站重大件設(shè)備運(yùn)輸方案的可行性研究報(bào)告分析，水路和公路聯(lián)運(yùn)的方案由港口利用在電站附近設(shè)置的重大件碼頭上岸，經(jīng)公路運(yùn)輸?shù)诌_(dá)工地。如果要滿足運(yùn)輸整體三相變壓器的需要，必須對(duì)碼頭、專用公路、涵洞及起吊設(shè)備等級(jí)作進(jìn)一步提高，將增加投資達(dá)數(shù)億元。雖然三相變壓器在技術(shù)及運(yùn)行管理上具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但因運(yùn)輸困難、運(yùn)輸費(fèi)用過(guò)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)變壓器本體的費(fèi)用，因此不考慮整體三相變壓器的方案。

根據(jù)各廠家為拉哇水電站提供的主變壓器參數(shù)，單相變壓器、組合式三相變壓器及現(xiàn)場(chǎng)組裝式三相變壓器充氮運(yùn)輸重量分別約為123～137 t、124～137 t和63～70 t，可滿足電站運(yùn)輸要求，因此拉哇水電站主變壓器僅考慮上述3種型式。

3.1 3種主變型式簡(jiǎn)介

在單相變壓器組方案中，形成三相需要使用3臺(tái)普通變壓器，再借助IPB在外部三角形連接而成。組合式三相變壓器由3個(gè)相互獨(dú)立的單相油箱和1個(gè)公共的上節(jié)油箱組成，運(yùn)輸時(shí)4個(gè)油箱單獨(dú)運(yùn)輸，運(yùn)到工地現(xiàn)場(chǎng)就位后，再完成外部油管路連接、內(nèi)部接線、安裝套管等組件，形成一臺(tái)完整的三相變壓器?，F(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器在外形上看與普通三相變壓器相同，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)做成可拆卸的若干部件，運(yùn)輸時(shí)各部件分別運(yùn)輸，在現(xiàn)場(chǎng)再組裝成整體，現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的組裝車間，配置相應(yīng)組裝設(shè)備。

3.2 技術(shù)分析

（1）設(shè)計(jì)制造難度

對(duì)于拉哇水電站560 MVA這一容量的變壓器，3種變壓器均具有成熟的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，亦不存在設(shè)計(jì)制造難題。

（2）安裝

單相變壓器組現(xiàn)場(chǎng)就位后，僅需安裝套管、冷卻器及散熱器等附件，時(shí)間較短；如果把這些單相變壓器分隔開(kāi)，會(huì)使得變壓器占用位置空間更多，更加不易于低壓側(cè)封閉母線的三角形連接。

組合式三相變壓器對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)的外部環(huán)境，如場(chǎng)地、安裝環(huán)境等方面無(wú)太多要求，使用3臺(tái)單相變壓器，將它們的油路連接就會(huì)組成一個(gè)綜合的油系統(tǒng)，其安裝難度較為低，時(shí)間也較短。同時(shí)，組合式三相變壓器的低壓側(cè)三角形連接在器身內(nèi)部完成，使離相封閉母線布置相對(duì)簡(jiǎn)單。

現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器的安裝最為復(fù)雜，時(shí)間最長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)不僅要求安裝環(huán)境具有同工廠一樣管理水平的雙層防塵安裝場(chǎng)地，還要安裝油凈化、起吊、除濕、空氣干燥等各種設(shè)備，還要求具有同工廠一樣嚴(yán)格先進(jìn)的裝配工藝和熟練的技術(shù)工人?，F(xiàn)場(chǎng)組裝完成后，為確保與工廠裝配一樣的品質(zhì)，還應(yīng)完整地進(jìn)行短路阻抗和負(fù)載損耗測(cè)量等試驗(yàn)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)組裝工期長(zhǎng)，且受許多不確定因素制約，正常情況下，組裝一臺(tái)額定電壓500 kV，額定容量560 MVA的三相變壓器需要約50 d左右，比單相式以及組合式三相變壓器的安裝時(shí)間要長(zhǎng)很多。但是這種組裝方式便于運(yùn)維期的檢修，尤其是嚴(yán)重故障的處理。

（3）可靠性

單相變壓器組是3臺(tái)獨(dú)立的單相變壓器組合之后形成的，其油路并不是固定的，各變壓器低壓引線單獨(dú)與發(fā)電機(jī)離相封閉母線相連，在主變壓器外部形成低壓△連接，主變低壓側(cè)因采用離相封閉母線，發(fā)生三相或兩相短路的概率非常低且不會(huì)因任一相高壓套管的故障影響其它兩相，提高了電站運(yùn)行的可靠性。

組合式三相變壓器具有共用油系統(tǒng)且在現(xiàn)場(chǎng)裝配形成，存在共用油系統(tǒng)部分滲漏的可能性；除此之外，該變壓器會(huì)在低壓側(cè)母線連接的箱體內(nèi)生成三角形連接，使用3只套管將其引出之后連接到發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線上，此時(shí)變壓器里的電路、油路保持通暢，導(dǎo)致相間連接地點(diǎn)上的兩相、三相短路概率提升，也可能會(huì)出現(xiàn)高壓套管故障延伸到其他兩相的情況。但近些年，隨著設(shè)計(jì)制作工藝、施工手段和安裝工藝的不斷改進(jìn)，變壓器質(zhì)量能夠得到保證。龍灘水電站[3]及瀑布溝水電站[4]的主變壓器運(yùn)行至今，未發(fā)生相間短路或漏油等事故。組合式三相變壓器的不足之處在可靠性方面并不是很優(yōu)異，但也能夠符合電站安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器相間連接處與組合式三相變壓器一樣存在相間連接地點(diǎn)上的兩相、三相短路概率提升的可能性，也可能會(huì)出現(xiàn)高壓套管故障延伸到其他兩相的情況；而且變壓器的現(xiàn)場(chǎng)組裝質(zhì)量會(huì)直接影響到可靠性，但是現(xiàn)場(chǎng)組裝質(zhì)量也有很多影響因素，例如工具、設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、技術(shù)人員組織管理能力、設(shè)備本身的組裝、調(diào)試等等。

（4）布置

拉哇水電站為全地下廠房，按照電力設(shè)備典型消防規(guī)程要求及根據(jù)制造廠提供的主變資料，若采用單相變壓器組，主變室寬約10.8 m、高12 m，每臺(tái)機(jī)主變室長(zhǎng)度31 m，主變運(yùn)輸?shù)缹?.5 m；整個(gè)布置較為擁擠，中性點(diǎn)設(shè)備只能布置在主變室上部的500 kV高壓電纜層。

若采用組合式三相變或現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變，主變室寬約10.5 m、高12 m，每臺(tái)機(jī)主變室長(zhǎng)度20 m，主變運(yùn)輸?shù)缹? m；整個(gè)布置比較寬敞，中性點(diǎn)設(shè)備可以與主變同層布置。

可見(jiàn)，與單相變壓器組相比，組合式三相變或現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變能顯著減小占地面積，從而降低了土建工程量，此外發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線與變壓器的連接也較為簡(jiǎn)單。

（5）備用相

對(duì)于備用相其中的單相變壓器組設(shè)置，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》指出： “采用單相變壓器組的水電廠，年利用小時(shí)數(shù)在4 000 h及以上，且設(shè)有4 組及以上相同容量的單相變壓器組可設(shè)置1臺(tái)備用相。”而關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變和組合式三相變都沒(méi)有具體規(guī)范。

在工程執(zhí)行過(guò)程中，針對(duì)500 kV單相變壓器，國(guó)內(nèi)大型水電站如構(gòu)皮灘（5臺(tái)套）[5]及烏弄龍（4臺(tái)套）[6]等均設(shè)置了備用相；對(duì)于組合式三相變，龍灘水電站（7臺(tái)套）和瀑布溝水電站（6臺(tái)套）組合式三相變壓器均未設(shè)置備用相，而溪洛渡水電站（左、右岸各9臺(tái)套）設(shè)置了備用相；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變，長(zhǎng)河壩（4臺(tái)套）和大崗山（4臺(tái)套）均未設(shè)置備用相。

因此，對(duì)于拉哇水電站，若采用單相變壓器組需考慮設(shè)置備用相；若采用組合式三相變或現(xiàn)場(chǎng)組裝式三相變，可不考慮設(shè)置備用相。

（6）技術(shù)分析小結(jié)

綜上所述，從變壓器的設(shè)計(jì)制造來(lái)看，拉哇水電站采用單相變壓器組、組合式三相變壓器或現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器都是可行的，但從主變可靠性與主變現(xiàn)場(chǎng)安裝、運(yùn)行、維護(hù)方面來(lái)考慮，單相變壓器組或組合式三相變壓器優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

（1）主變壓器投資分析

根據(jù)主變制造廠提供的資料，對(duì)于同一制造廠、同一電壓等級(jí)和容量，若單相變壓器組的價(jià)格為1，那么組合式變壓器的價(jià)格則在0.92～0.95之間，除此之外現(xiàn)場(chǎng)組裝變壓器的價(jià)格則在0.82～0.86之間。不同制造廠這三者的價(jià)格也有所不同，但都在上述范圍之內(nèi)，差距較小。采用備用變壓器后三者的設(shè)備投資情況如表1所示。

表1 三種變壓器設(shè)備價(jià)格表

（2）土建工程費(fèi)用分析

根據(jù)前面所述的3種變壓器的布置方案，拉哇水電站4臺(tái)套主變采用組合式三相變或現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變時(shí)，其主變洞開(kāi)挖長(zhǎng)度比采用單相變壓器組要少20 m，對(duì)應(yīng)的土建投資少640萬(wàn)。3種主變對(duì)應(yīng)的土建費(fèi)用分析見(jiàn)表2。

（3）附加機(jī)電設(shè)備投資費(fèi)用分析

附加機(jī)電設(shè)備投資費(fèi)用主要是指發(fā)電機(jī)離相封閉母線投資費(fèi)用，主變水噴霧系統(tǒng)等因投資額較少不參與比較。根據(jù)前面所述的變壓器布置方案，采用單相變壓器組時(shí)，其發(fā)電機(jī)離相封閉母線每臺(tái)機(jī)總長(zhǎng)度比采用組合式三相變或現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變要長(zhǎng)約65 m。3種主變對(duì)應(yīng)的離相封閉母線投資費(fèi)用見(jiàn)表2。

表2 3種變壓器土建投資及附加設(shè)備投資比較表

（4）經(jīng)濟(jì)分析小結(jié)

3種方案中，單相變壓器組方案總投資最大，僅土建及離相封閉母線投資就比其余兩種方案多了1 030萬(wàn)；組合式三相變壓器及現(xiàn)場(chǎng)組裝變壓器方案總投資相差不大，與單相變壓器組方案相比，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.4 推薦方案

綜上所述，3種變壓器方案設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均比較成熟，可靠性高，運(yùn)輸重量滿足電站運(yùn)輸要求，但單相變壓器組方案布置場(chǎng)地較大且擁擠、總投資最大，因此不推薦；現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變總投資比組合式三相變略少，但現(xiàn)場(chǎng)安裝受到諸多因素制約且安裝工期存在諸多不確定性，所以也不便于使用；綜合以上內(nèi)容最終選擇使用組合式三相變壓器作為拉哇水電站的主變壓器。

4 變壓器冷卻方式

相較于同類型水電站，如白鶴灘水電站、錦屏二級(jí)水電站等，地下廠房中主變壓器如采用通風(fēng)冷卻將無(wú)法滿足散熱要求，所以最終都采用了水冷卻方式。由于拉哇水電站為地下廠房電站，主變壓器布置在地下洞室內(nèi)，為了簡(jiǎn)化通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)，減少噪音，同時(shí)考慮到水電站取水方便，河水水質(zhì)較好等因素，參考同類型電站，本電站主變壓器冷卻方式推薦采用水冷卻。

5 結(jié)論

三相變壓器的維護(hù)工作較為簡(jiǎn)單，但是因?yàn)檫\(yùn)輸條件的影響不能使用；綜合比較上述3種形式的變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇使用組合式三相變壓器方案，冷卻方式采用技術(shù)成熟的水冷卻方案。本文對(duì)主變選型及冷卻方式等進(jìn)行了分析和對(duì)比，提出了推薦方案并得到采納，對(duì)類似條件的水電站主變壓器選型有實(shí)際借鑒意義。