500kV變電站主變壓器的選型問題

王曉京
華東電力設計院，上海市 200063

　　摘要：文章討論了500 kV大型變電站主變壓器選型需注意的一些問題。具體對500 kV單相和三相共體變壓器的選擇、變壓器的冷卻方式、空載和短路損耗、自耦和非自耦變壓器的選擇、調壓方式、抗短路能力、阻抗參數、變壓器油、變壓器附件、投標價格及影響因素等方面存在的問題進行了詳細的分析和比較。
　　關鍵詞： 變壓器；損耗；阻抗；阻抗偏差；調壓方式；冷卻方式；設備招標

　　0　概述

　　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，主變壓器的形式和參數的確定不但關系到變壓器的結構和工程投資，對電網的安全可靠運行也有著重要影響。根據近年來500 kV變電站建設的情況，變壓器的形式和參數往往因設計情況不同而存在差別，因此應對此現象進行分析研究，盡快規范大型變壓器設備招標的技術要求，是目前階段的緊迫工作。

　　1　主變壓器形式和參數的選擇

　　1.1　單相和三相共體變壓器的選擇

　　500 kV大型變壓器按鐵心和繞組結構形式可分為單相和三相共體2種形式。以日本東芝公司750 MVA、500/220/35kV自耦有載調壓強油風冷變壓器為例，2種形式變壓器的外形、質量比較如表1所示。

表1　單相和三相共體變壓器的外形、質量

　　目前華東地區投運及在建工程中使用的三相共體變壓器約有10臺，占變壓器總數的10%左右，并且還有增加的趨勢。同等容量的三相共體變壓器所消耗的材料少于單相結構的變壓器，價格比單相結構變壓器低5%~10%，且占地面積少，因此只要運輸條件許可，在工程投標中選用三相共體變壓器多作為推薦方案。

　　變壓器系統在500 kV大型變電站內具有重要地位，在大負荷運行季節，1臺大型變壓器因故障退出運行，往往會對地區經濟和人們的生活造成難以估量的影響，因此盡可能減少設備的維修停電時間，是設備選型中十分重要的因素。因變壓器結構的特殊性，變壓器故障往往難以就地快速解決，一般只能更換設備。三相共體變壓器運輸較困難，單體結構復雜，如果發生故障就很難在短時間內修復；如采用單相變壓器，只要在地區配置1臺參數合適的備用變壓器，當發生事故時換上備用變壓器，短時間內就可恢復供電，單相變壓器的這一特點應是不容忽視的。建議在運輸條件不好、無維修大型三相變壓器能力的地區，應盡可能優先選用單相結構的大型變壓器。

　　1.2　冷卻方式

　　近期華東地區采購的大型變壓器，冷卻方式多傾向于選用自然油循環風冷(ONAF)。經調查，我國生產和進口的500MVA以上大型變壓器大多數采用強迫油循環風冷(OFAF/ODAF)方式的變壓器。國外變壓器制造廠生產的自然油循環風冷(ONAN/ONAF)變壓器主要供采用美國標準的國家和地區使用，其中歐洲生產的較多。將OFAF的冷卻方式改為ONAF，變壓器內部結構改變不大，僅需增加散熱器能力便可；但將ODAF的冷卻方式改為ONAF的變壓器，采用油熱對流自然冷卻方式則需增大油道尺寸，從而導致增加變壓器的尺寸和質量，因而比采用強迫油循環風冷的價格要貴些。

　　由于國內大型變壓器采用自然油循環形式運行的經驗不多，因而此種冷卻方式的負荷特性對變壓器壽命的影響關系，可能需經過一定的時間后才能表現出來。

　　變壓器鐵心的工頻震動噪聲是變壓器的主要噪聲源。以750 MVA變壓器為例，采用ONAN冷卻方式時其噪聲水平約為64dB，當風扇全開時噪聲將增加至70 dB。因大型變電站占地面積大，而且多數地處鄉村，變壓器到圍墻外房舍的距離一般在百米以上，噪聲和距離的關系呈衰減關系，為Lr=Lo-20lg(l/lo)，因而在多數情況下變壓器冷卻方式不會對周邊環境構成嚴重的影響。

　　采用油泵、風扇機械冷卻方式，需增加一定的維護工作，但大型變壓器均設1臺動態后備冷卻器，油泵、風扇檢修時可投入備用冷卻器，只要適當維護，不會因冷卻器的機械故障而增加停電概率。

　　因強迫油循環冷卻變壓器的運行經驗較豐富，油流帶電并不是固有的缺陷，只要適當增加絕緣冗余度，合理設計油道，油流帶電問題也不能成為選擇自然油循環方式的理由。

　　對于強迫油循環強迫風冷變壓器，其冷卻器油泵、風扇比采用片式散熱器的自然冷卻變壓器要多消耗一定能量，以250MVA單相變壓為例，ODAF冷卻方式用電功率約為17 kW，ONAF冷卻方式的用電功率約為8 kW，約占變壓器總損耗的1.5%。

　　綜上原因，建議加強對自然油循環冷卻方式變壓器負荷特性的研究，結合國內情況分析其技術經濟比，盡快制定選用的指導性意見，在無特殊理由的情況下，不應無條件要求采用，應采取慎重態度。

　　1.3　空載和短路損耗

　　國內運行的大型變壓器的損耗水平統計列于表2。

　　表2　500 kV大型變壓器損耗情況

　　20世紀90年代以前生產的變壓器因硅鋼片處理技術的原因，空載損耗大于后期生產的變壓器；日本產變壓器空載損耗指標較好；歐洲產變壓器短路損耗指標較好；三相共體變壓器損耗一般小于單相變壓器；殼式結構的變壓器能做到最優的損耗與質量比。

　　根據鐵路運輸要求，變壓器外形尺寸一般要求長度小于7 m，寬度小于3.6 m，高度小于4.1 m，運輸質量小于140t，因此對于250 MVA單相自耦變壓器，如果空載損耗要求小于75 kW，短路損耗要求小于350 kW，一般均能滿足運輸限制要求。

　　1.4　自耦和非自耦變壓器

　　以500/220 kV變壓器為例，如果采用自耦變壓器，則可比非自耦變壓器多獲得0.56的效益系數，所以大型變壓器多數采用自耦變壓器形式。

　　采用自耦變壓器后，為防止高壓側發生接地短路時引起中壓側過電壓，變壓器中性點必須接地。中性點接地后，變壓器零序等值阻抗變小，當系統大量采用自耦變壓器后，系統單相短路電流水平有時會超過三相短路電流水平。為限制短路電流水平，目前有的工程采用了在變壓器中性點串接小電抗器的措施來限制單相短路電流水平。在系統有要求中性點串接小電抗器時，應計算短路時變壓器的工頻過電壓情況，并采取合適的措施以防止變壓器的非正常損傷。