水電站主變壓器選型方法及思路

　　1.前言

　　由于我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，華東、華中和沿海地區(qū)都出現(xiàn)用電緊張的情況，對電力系統(tǒng)供電數(shù)量和質(zhì)量的要求越來越高。由于這些地區(qū)能源匱乏和對環(huán)境保護的要求，急需從外地大量輸入高質(zhì)量的電能，而西南地區(qū)的川、滇等省水電資源蘊藏豐富，可供開發(fā)的水電資源占全國的70％以上。建設大型或超大型水電站，為華東、華中和沿海地區(qū)提供高質(zhì)量廉價的水電，不但能實現(xiàn)全國電力資源優(yōu)化配置和實現(xiàn)西電東送，還能發(fā)揮攔沙、防洪、改善下游航運條件等綜合效益。現(xiàn)以金沙江上擬建的巨型水電站---溪洛渡水電站為例分析水電站主變壓器的選擇。

　　2.溪洛渡水電站簡介

　　溪洛渡水電站是金沙江下游上的一座巨型水電站，地處四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)，上接白鶴灘電站尾水，下與向家壩水庫相接。電站供電華東、華中，兼顧川、滇兩省用電需要，是金沙江西電東送距離負荷中心最近的骨干電源之一，也是金沙江上最大的一座水電站。電站裝機18臺，單機容量700 MW，總裝機容量達12 600 MW，單機最大容量855 MVA。年平均發(fā)電量571.2億kW·h，年利用小時數(shù)4 530h，水庫總庫容126.7億m3，調(diào)節(jié)庫容64．6億m3，具有不完全季調(diào)節(jié)性能，保證出力3 395 MW。
　　電站地處高山峽谷，河床狹窄。根據(jù)樞紐布置和地形條件，電站設左、右兩個地下廠房，各布置9 臺機組。主廠房、主變壓器室和尾水調(diào)壓室相互平行，呈三洞式布置。發(fā)電機引出回路選用全聯(lián)式離相封閉母線與主變低壓端子相連，主變壓器的500kV出線采用超高壓擠包絕緣電纜通過垂直豎井引至地面開關站。

　　3　運輸條件

　　超大型水電站機電設備重大件包括：水輪機轉輪、主變壓器、橋機主梁、主軸、轉子中心體、轉子支架扇形體、上機架中心體和下機架中心體、定子機座以及水輪機頂蓋、座環(huán)等，而主變壓器是運輸?shù)囊粋€重要環(huán)節(jié)。超大型水電站一般地處偏僻的高山峽谷區(qū)，地形條件復雜，交通運輸設施和條件惡劣，因此機電設備重大件運輸方案是電站設計初期重要的研究課題之一。主變壓器一般可通過水運運至電站附近碼頭，上岸后經(jīng)電站專用公路運抵工地；或者通過鐵路和專用鐵路運至電站附近車站（運輸尺寸應控制在二級超限內(nèi)）后，再通過電站專用公路運至工地。這兩種情況均需經(jīng)過詳細周密的經(jīng)濟技術比較后，才能最終確定電站機電設備重大件的運輸方案。溪洛渡水電站主變壓器單相運輸尺寸約5．0m×4．0m×4．0m，運輸重量約178t，共54相，運輸任務繁重，經(jīng)專題研究后提出先通過專用鐵路運至電站附近車站，再通過電站專用公路運至電站工地。

　　4　主變壓器主要參數(shù)和中性點接地方式

　　4．1　額定值
　　隨著發(fā)電設備的設計和制造技術的發(fā)展，發(fā)電機組單機容量越來越大，已建二灘水電站單機容量為550 MW，在建三峽、龍灘和小灣水電站單機容量均為700 MW，擬建的溪洛渡水電站單機容量也為700 MW，并且發(fā)電設備的單機容量還有增大的趨勢。考慮到許多電站的發(fā)電機均有設置最大容量的要求，因此需要有相應的大型變壓器設計和制造技術相匹配。根據(jù)溪洛渡水電站的具體條件，選擇的主變壓器的主要技術參數(shù)如下：
　　額定容量：855 MVA；額定電壓：高壓525kV，低壓20kV；接線組別：YN，d11；阻抗電壓：15％～17％；絕緣水平4．2　中性點接地方式
　　根據(jù)水電站升壓變壓器中性點接地方式及其實踐經(jīng)驗，在電力系統(tǒng)中運行變壓器的中性點接地方式，將直接影響電力系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓水平、電氣設備的絕緣強度、系統(tǒng)的穩(wěn)定、繼電保護、開關遮斷容量、對通信線路干擾、變壓器中性點過電壓保護方式、變壓器中性點絕緣水平以及變壓器制造等。因此，變壓器中性點的接地方式應根據(jù)諸方面的影響因素進行綜合的技術經(jīng)濟分析和比較后加以確定。
　　現(xiàn)階段我國超高壓電壓等級為500kV，對500kV變壓器中性點接地方式有兩種不同觀點：一種沿用220kV系統(tǒng)所采用的部分變壓器中性點接地的方式，這樣可采用簡單可靠的零序電流繼電保護，斷路器遮斷容量不受單相短路電流的限制，同時單相接地對通信線路的干擾也較小；另一種為500kV變壓器全部采用中性點直接接地，變壓器中性點絕緣水平最低，便于變壓器制造，變壓器中性點不會失地，也不會產(chǎn)生不接地的孤立系統(tǒng)。但兩者均不能有效地解決單相短路電流在變壓器中性點產(chǎn)生的過電壓問題，都存在明顯的局限性。
　　為了限制單相短路電流，宜采用變壓器中性點經(jīng)小電抗器的接地方式，只要小電抗器選擇適當就可以起到變壓器中性點部分接地的作用。經(jīng)計算分析，經(jīng)小電抗器接地的變壓器中性點的過電壓比不接地變壓器中性點的過電壓低得多，不會產(chǎn)生危害性很大的諧振過電壓和弧光接地過電壓，不易產(chǎn)生 失步過電壓。500kV變壓器中性點經(jīng)小電抗器接地已投入工程應用，如葛洲壩水電站大江電廠500kV工程、隔河巖水電站和巖灘水電站500kV工程，分別于20世紀80年代末期和90年代初期投運，運行正常，收到了良好的效果。
　　通過以上技術分析可見，超大型水電站500kV主變壓器中性點接地方式，一般采用經(jīng)小電抗器接地方式，且變壓器中性點采用避雷器保護，并應根據(jù)工程具體情況選用適當?shù)闹行渣c小電抗器。經(jīng)過論證，溪洛渡水電站的主變壓器中性點采用小電抗器的接地方式。

　　5　主變壓器型式

　　根據(jù)溪洛渡水電站的具體條件，主變壓器型式考慮了四種可能的方案，即三相、單相、組合式三相和現(xiàn)場組裝三相變壓器。

　　5．1　三相變壓器
　　三相變壓器在設計制造及運行管理上具有一定的優(yōu)點，但運輸重量巨大，超過了鐵路和公路的運輸極限，且運輸費用昂貴。溪洛渡水電站主變壓器若采用三相變壓器方案，運輸重量將達到480t，無論是鐵路運輸或公路運輸均不能實現(xiàn)，故不宜采用。

　　5．2　單相變壓器組方案
　　單相變壓器組方案由三臺普通單相變壓器組合成三相變壓器，具有設計制造經(jīng)驗成熟、運輸重量及運輸尺寸小、占用安裝布置場地大和安裝時間短的特點。

　　5．3　組合三相變壓器方案
　　經(jīng)研究分析，由三臺特殊單相變壓器組合的三相變壓器方案設計及制造經(jīng)驗成熟，應用較廣。特殊單相變壓器的結構與普通單相變壓器基本相同，一種組合方式是三臺單相變壓器分別裝在各自的下節(jié)油箱中，在運到安裝地點前用副箱蓋各自密封，到達使用現(xiàn)場后換上共用箱蓋使三臺單相變壓器連成一體，形成三相變壓器；另一種組合方式采用單獨的油箱，僅用引線管道將三臺連成一體，此種變壓器相當于將三臺獨立的單相變壓器的油路連接在一起。目前國內(nèi)已基本不采用第一種方式（共用箱蓋），而采用第二種組合方式。這種方式運輸重量小、運輸尺寸小、布置安裝占地面積小、安裝時間較短。

　　5．4　現(xiàn)場組裝三相變壓器方案
　　現(xiàn)場組裝三相變壓器又稱解體運輸變壓器，這種變壓器在外形上看與普通三相變壓器相同，但由于受運輸條件的限制，變壓器的內(nèi)部結構做成可拆卸的若干部分，運輸時各部分分別運輸，在現(xiàn)場再組裝成整體。
　　最早的解體運輸變壓器是將鐵芯、線圈分成若干部分運輸，到現(xiàn)場后組裝。近年來，解體變壓器采用了新技術，將鐵芯、線圈、油箱分成各自保持著基本結構的運輸單元，進行解體運輸。解體后再組裝的范圍被限制在最小程度。
　　這種方式運輸重量小、運輸尺寸大（油箱）、布置占地面積小、設備本體成本最低。但安裝時間長，對安裝場地、設備和環(huán)境條件、安裝工藝要求嚴格。

　　6　技術分析

　　6．1　現(xiàn)場組裝三相變壓器

　　6．1．1　空調(diào)間及凈化間的設置
　　根據(jù)國內(nèi)外各變壓器生產(chǎn)廠的有關技術資料，現(xiàn)場組裝三相變壓器須在一定面積的空調(diào)間和凈化室內(nèi)進行，并且要求降塵量小于0.20mg／m3和室內(nèi)溫度低于20℃。組裝一臺像溪洛渡水電站這樣的三相變壓器工期約為107天，并需增加油箱的起吊高度。現(xiàn)場組裝后的變壓器需安裝就位，由于組裝后變壓器重量重（如溪洛渡水電站組裝三相變壓器重約480t），運輸尺寸大（如溪洛渡組裝三相變壓器約為10.2m×3.1m×4.5m），對于主變壓器布置在地下洞室內(nèi)的超大型水電站，很難滿足組裝后三相變壓器運輸要求，且空調(diào)室和凈化室必須設置在主變壓器洞室內(nèi)，增加了主變洞室的地下開挖量和土建工程量。由于水電站土建施工和設備安裝工期較緊，導致主變組裝和土建之間的施工干擾大，空調(diào)室和凈化室很難滿足降塵量小于0.20mg／m3要求。

　　6．1．2　組裝質(zhì)量和工期制約因素
　　現(xiàn)場組裝變壓器的組裝質(zhì)量和工期受到許多不確定因素的制約，如：
　　（1）現(xiàn)場設備、工具和材料配置，設備本身的質(zhì)量，組裝、調(diào)試及時間的不確定性；
　　（2）現(xiàn)場指揮管理系統(tǒng)和技術人員組織管理能力及經(jīng)驗、事故處理能力的不確定性；
　　（3）設備或工藝出現(xiàn)缺陷時，快速處理能力的不確定性；
　　（4）變壓器在現(xiàn)場組裝后需進行短路阻抗和負載損耗測量等例行試驗，還應進行繞組對地和繞組間的電容測定、暫態(tài)電壓傳輸特性測定、三相變壓器零序阻抗測量和空載電流等特殊試驗（這些試驗對單相變壓器或組合變壓器來說，是在工廠內(nèi)完成的），這樣既增加了現(xiàn)場的試驗項目和試驗設備，又增加了現(xiàn)場組裝工期的不確定性。

　　6．1．3　工程應用經(jīng)驗
　　據(jù)近年來的統(tǒng)計資料顯示，即使是在工廠內(nèi)組裝完成的500kV級大型變壓器，無論是國產(chǎn)的還是進口的，在運行中都出現(xiàn)過一些問題，而現(xiàn)場的組裝條件與工廠相比有很大的差距，使得變壓器的整體質(zhì)量更難保證。現(xiàn)場組裝三相變壓器目前國內(nèi)僅在220kV變壓器中應用過。雖然500kV現(xiàn)場組裝三相變壓器在理論上是可行的，但在實際安裝中還沒有經(jīng)驗，可能會遇到一些預想不到的問題而延誤工期，甚至影響整個工程進度。
　　綜上所述，現(xiàn)場組裝500kV三相變壓器方案，因缺乏設計、制造及現(xiàn)場安裝的經(jīng)驗，無法保證變壓器的質(zhì)量和安裝進度，對溪洛渡水電站來說，技術風險極大，將直接影響到電站的可靠運行和效益發(fā)揮。為保證工程的質(zhì)量、工期和運行的安全可靠，在溪洛渡水電站不推薦采用現(xiàn)場組裝三相變壓器。

　　6．2　單相與組合三相變壓器的詳細技術比較

　　6．2．1　可靠性
　　單相變壓器組由三臺單相變壓器組成，一般采用三臺變壓器分別布置在單獨房間內(nèi)，油路完全分開，可排除三相短路的可能性，提高電站運行的可靠性，但是仍然存在著相間短路的可能性。
　　組合三相變壓器具有共用油系統(tǒng)，三相靠在一起布置，引出線連接、油箱和油路部分在現(xiàn)場裝配形成，其性能受變壓器設計和制作工藝、施工組織和管理、安裝人員的技術水平和工作態(tài)度、安裝設備和工器具配備，以及現(xiàn)場安裝條件等諸多因素的影響，存在變壓器共用油系統(tǒng)部分滲漏的可能性。組合三相變壓器中一相漏油時，可導致變壓器組的油位降低，使完好相受故障相牽連。由于組合三相變壓器的低壓和中性點引線布置在共同的油道內(nèi)，不能絕對排除發(fā)生三相短路的可能性。但是隨著變壓器設計、制造和安裝技術的不斷發(fā)展，組合三相變壓器采用單獨的油箱，僅用引線管道將三相連成一體，相當于將三臺獨立的單相變壓器的油路連接起來，并盡可能減少現(xiàn)場安裝的工作量，并隨著施工手段和安裝工藝的不斷改進，只要加強現(xiàn)場的施工管理和監(jiān)督，完全可以保證其運行的可靠性。此外，組合三相變壓器在現(xiàn)場組裝后相當于一臺三相變壓器，共用一套油保護及冷卻系統(tǒng)，減少了冷卻器和中低壓套管、油枕等的總數(shù)量，有利于設備布置和降低造價。
　　目前，在國內(nèi)的許多水電站中，都已經(jīng)使用了組合三相變壓器（電壓達到220kV級，容量達到180 MVA），制造和運行都積累了豐富的經(jīng)驗。國外如日本，在地理偏僻的水電站也大量采用組合三相變壓器（包括500kV級）。
　　綜上所述，組合三相變壓器在可靠性方面較單相變壓器略低，但完全能滿足電站安全運行要求。

　　6．2．2　安裝
　　單相變壓器組的安裝較三相組合式變壓器的簡單方便，但是三臺單相變壓器分開布置，增加了變壓器低壓側封閉母線三角形連接的難度和工作量。
　　三相組合式變壓器安裝難度在于將三臺單相變壓器油路連接起來形成統(tǒng)一的油系統(tǒng)。這不但需要制造廠在設計和制造中充分考慮到組合三相變壓器在高地震地區(qū)長期運行的安全性，也要求安裝單位對該問題有足夠的重視，保證安裝質(zhì)量。同時組合三相變壓器的低壓側三角形連接在器身內(nèi)部完成，使離相封閉母線布置相對簡單，但是在安裝時變壓器繞組暴露在空氣中的時間較單相變壓器略長。

　　6．2．3　布置
　　單相變壓器組由三臺單相變壓器組成，一般采用三相分開布置（國外有將三臺單相變壓器布置在一個變壓器室的實例）。按我國電力設備典型消防規(guī)程（DL5027－93）要求，油量超過2 500kg及以上的變壓器必須分開布置，距離小于10m（500kV）時應以防火隔墻分隔。超大型水電站單相變壓器的油量遠遠超過規(guī)程的要求，必須分開布置安裝，故占地面積大（如溪洛渡水電站單相變壓器布置尺寸約34m×11m×14m）。
　　組合三相變壓器能簡化布置、節(jié)省占地面積。
　　該變壓器由引線連接管道或共同的上節(jié)油箱將三個單相變壓器組成一體，在布置上與三相變壓器相近（如溪洛渡水電站單臺組合三相變壓器布置尺寸約為20m×11m×14m）。
　　單相變壓器組與組合三相變壓器相比，缺點有：
　　（1）占地面積大；
　　（2）與發(fā)電機出口母線的連接復雜，母線布置困難，且增加母線長度、運行費用和能耗；
　　（3）需增加地下洞室尺寸來布置廠用電設備，增加了土建的工程量；
　　（4）廠用電設備不易合理地布置在供電負荷附近，增大了供電回路損耗、壓降且難免電纜交叉布置等問題。
　　因此，在變壓器布置方面上，組合三相變壓器比單相變壓器組在技術和經(jīng)濟上均更為合理。

　　6．2．4　備用相
　　超大型水電站采用單相變壓器組或組合三相變壓器，為了保證電站運行的可靠性，當變壓器臺數(shù)較多時需設置備用相，以提高電站運行可靠性，減少停電損失。單相變壓器組的備用相更換較組合三相變壓器方便，只需要將高、低壓側連接處拆開取出故障 相，將備用相安裝就位重新連接好高低壓側，并作相應試驗即可。而組合三相變壓器更換備用相除需上述工作外，還必須排出部分組合三相變壓器的變壓器油，拆下共用油系統(tǒng)的所有管路，移出故障相，然后將備用相安裝就位，連接好油路，并且還要對新的變壓器重作必要的試驗后才能再次投入運行，更換故障相的時間較長。

　　6．2．5　冷卻方式
　　在水電站設計中，對于布置在地下廠房內(nèi)的主變壓器，一般采用水冷卻方式，因為對于水電站來說取水相對容易，水冷卻器效率高、噪音低，與風冷方式相比，可改善地下廠房的通風散熱條件，提高變壓器效率和運行可靠性。但我國主要的大江大河一般含砂量較大，部分流域存在浮石、雜草和水生物等雜質(zhì)，易使冷卻器管路發(fā)生堵塞，降低冷卻效率，甚至導致冷卻器故障，所以選擇水冷卻器時也應根據(jù)各電站現(xiàn)場具體情況采用不同型號的冷卻器。
　　目前排砂型以及雙重管密封結構的水冷器已研制開發(fā)成功，并已在二灘、龔嘴、劉家峽、太平驛、萬安、東風電站應用，運行情況良好。以前生產(chǎn)的水冷卻器進水口承受的壓力僅為0．07 MPa，新型水冷卻器進出水承受壓力可達1．0 MPa。采用雙重管密封結構的水冷器，在發(fā)生管道滲漏時，設于夾層中監(jiān)測滲漏的傳感器將發(fā)出信號，可及時發(fā)現(xiàn)問題，避免冷卻水從脹口部位滲入油中。
　　根據(jù)超大型水電站實際情況和國內(nèi)外水冷卻器的研制、生產(chǎn)和運行情況綜合考慮，主變壓器水冷卻器宜采用雙重管、排砂型的產(chǎn)品。

　　7　變壓器結構

　　目前世界上生產(chǎn)兩種不同結構形式的變壓器： 一種為芯式變壓器結構；另一種為殼式變壓器結構。絕大多數(shù)的制造廠生產(chǎn)芯式變壓器，只有少數(shù)制造廠生產(chǎn)殼式變壓器。一般殼式變壓器多為大容量變壓器。兩種變壓器的主要結構及特點如下：

　　7．1　鐵芯
　　芯式變壓器的鐵芯為立式框架結構，繞組圍繞芯柱成立式圓筒布置。芯柱用不同寬度的硅鋼片疊裝成圓形，上、下磁軛用同樣寬度的硅鋼片疊裝成矩形，并用夾件緊固，鐵芯與繞組被固定在油箱中。
　　殼式變壓器具有兩平行磁路，鐵芯圍繞繞組成水平布置。鐵芯由同樣寬度的硅鋼片組成，并在下層箱體的凸緣上進行搭接疊裝。上箱體落在鐵芯繞組裝配件上，并與下箱體焊接，鐵芯被固定。鐵芯四周靠箱體側板可靠的壓緊，而未采用壓緊螺栓，不會因不均勻壓緊而使變壓器特性變壞。

　　7．2　繞組
　　芯式變壓器繞組用紙包扁銅線或多根并聯(lián)換位導線繞制而成。繞組結構有連續(xù)圓筒式，連續(xù)餅式和糾結式。不同電壓繞組分內(nèi)外層布置，如雙繞組變壓器有高低布置和高低高布置。
　　殼式變壓器繞組用紙包矩形（幾乎為正方形）銅導線或多根并聯(lián)換位導線繞制而成。數(shù)根導體包在一起作為一個線圈元件，并有連續(xù)絕緣紙層，層外涂有黏接劑，以便成形線圈每層牢固黏在一起。繞制結構多為糾結式，不同電壓繞組成垂直平行布置，低壓繞組緊靠磁軛布置，高低壓部分繞組組成一組，一般變壓器繞組由二組、四組或六組組成。

　　7．3　特點
　　殼式變壓器繞組完全被絕緣材料覆蓋，繞組成垂直布置，在繞組和鐵芯之間嵌入木楔，以防錯位，所有各面都被鐵芯和油箱緊緊夾住，機械力分布在較大的區(qū)域內(nèi)，機械強度高，可放倒運輸。鐵芯的整個周邊被箱體側板壓緊，因此噪音水平較低。
　　上述兩種結構型式都適用于超大型水電站的主變壓器。

　　8　經(jīng)濟分析

　　變壓器的經(jīng)濟分析應考慮變壓器的本體造價、運輸費用、土建工程費用、安裝調(diào)試費用和運行費等綜合費用，以及國內(nèi)外主要變壓器廠對變壓器本體造價的報價不一等因素。國內(nèi)工程的主變壓器經(jīng)濟比較見表2。
　　根據(jù)已收集的國內(nèi)外主要變壓器廠所提供的資料，并參考其他已建和在建工程的比較結果，對主變壓器采用單相變壓器、組合三相變壓器方案進行經(jīng)濟比較，各部分費用的相對比較見表3。

　　9　綜合比較和結論

　　9．1　綜合比較
　　單相變壓器組：雖然該方案設計、制造、運行經(jīng)驗成熟，可靠性高，設置備用相后，故障時更換較方便，停電時間短，單相運輸重量能滿足水運或鐵路運輸?shù)囊螅顿Y最貴，且布置比較擁擠。
　　組合三相變壓器：投資比單相變壓器省，設置備用相后，故障相更換時間較單相變壓器長，具有一定的設計制造經(jīng)驗，可靠性較高，運行維護方便；運輸重量在60t以下，能滿足水運或鐵路運輸?shù)囊螅浑S著變壓器制造和安裝水平的提高，通過制造廠的現(xiàn)場技術指導和配合，可適當提高變壓器的可靠性和縮短安裝工期；組合三相變壓器布置簡便，為大型地下廠房的布置節(jié)約了開挖量和土建工程量；組合三相變壓器有利于發(fā)電機母線的布置、縮短母線長度、節(jié)約母線投資、節(jié)省運行費用和降低能耗。

　　9．2　結論
　　受溪洛渡水電站運輸條件的限制，不宜采用整體三相變壓器方案；為了保證變壓器整體安裝質(zhì)量和工期，不推薦采用現(xiàn)場組裝三相變壓器方案；組合三相變壓器和單相變壓器組均能滿足溪洛渡水電站安全可靠運行的要求，但組合三相變壓器投資較省，可大大縮小變壓器的占地面積，這對采用地下廠房布置的水電站來說尤為重要；采用組合三相變壓器有利于大電流離相封閉母線的布置連接，具有縮短母線長度、減低母線投資和電能損耗等優(yōu)越性。
　　綜合考慮溪洛渡水電站的具體情況，推薦組合三相變壓器為其主變壓器型式