500kV变电站主变压器的选型问题

王晓京
华东电力设计院，上海市 200063

　　摘要：文章讨论了500 kV大型变电站主变压器选型需注意的一些问题。具体对500 kV单相和三相共体变压器的选择、变压器的冷却方式、空载和短路损耗、自耦和非自耦变压器的选择、调压方式、抗短路能力、阻抗参数、变压器油、变压器附件、投标价格及影响因素等方面存在的问题进行了详细的分析和比较。
　　关键词： 变压器；损耗；阻抗；阻抗偏差；调压方式；冷却方式；设备招标

　　0　概述

　　500 kV超高压大型变电站中的主变压器是变电站的核心元件，主变压器的形式和参数的确定不但关系到变压器的结构和工程投资，对电网的安全可靠运行也有着重要影响。根据近年来500 kV变电站建设的情况，变压器的形式和参数往往因设计情况不同而存在差别，因此应对此现象进行分析研究，尽快规范大型变压器设备招标的技术要求，是目前阶段的紧迫工作。

　　1　主变压器形式和参数的选择

　　1.1　单相和三相共体变压器的选择

　　500 kV大型变压器按铁心和绕组结构形式可分为单相和三相共体2种形式。以日本东芝公司750 MVA、500/220/35kV自耦有载调压强油风冷变压器为例，2种形式变压器的外形、质量比较如表1所示。

表1　单相和三相共体变压器的外形、质量

　　目前华东地区投运及在建工程中使用的三相共体变压器约有10台，占变压器总数的10%左右，并且还有增加的趋势。同等容量的三相共体变压器所消耗的材料少于单相结构的变压器，价格比单相结构变压器低5%~10%，且占地面积少，因此只要运输条件许可，在工程投标中选用三相共体变压器多作为推荐方案。

　　变压器系统在500 kV大型变电站内具有重要地位，在大负荷运行季节，1台大型变压器因故障退出运行，往往会对地区经济和人们的生活造成难以估量的影响，因此尽可能减少设备的维修停电时间，是设备选型中十分重要的因素。因变压器结构的特殊性，变压器故障往往难以就地快速解决，一般只能更换设备。三相共体变压器运输较困难，单体结构复杂，如果发生故障就很难在短时间内修复；如采用单相变压器，只要在地区配置1台参数合适的备用变压器，当发生事故时换上备用变压器，短时间内就可恢复供电，单相变压器的这一特点应是不容忽视的。建议在运输条件不好、无维修大型三相变压器能力的地区，应尽可能优先选用单相结构的大型变压器。

　　1.2　冷却方式

　　近期华东地区采购的大型变压器，冷却方式多倾向于选用自然油循环风冷(ONAF)。经调查，我国生产和进口的500MVA以上大型变压器大多数采用强迫油循环风冷(OFAF/ODAF)方式的变压器。国外变压器制造厂生产的自然油循环风冷(ONAN/ONAF)变压器主要供采用美国标准的国家和地区使用，其中欧洲生产的较多。将OFAF的冷却方式改为ONAF，变压器内部结构改变不大，仅需增加散热器能力便可；但将ODAF的冷却方式改为ONAF的变压器，采用油热对流自然冷却方式则需增大油道尺寸，从而导致增加变压器的尺寸和质量，因而比采用强迫油循环风冷的价格要贵些。

　　由于国内大型变压器采用自然油循环形式运行的经验不多，因而此种冷却方式的负荷特性对变压器寿命的影响关系，可能需经过一定的时间后才能表现出来。

　　变压器铁心的工频震动噪声是变压器的主要噪声源。以750 MVA变压器为例，采用ONAN冷却方式时其噪声水平约为64dB，当风扇全开时噪声将增加至70 dB。因大型变电站占地面积大，而且多数地处乡村，变压器到围墙外房舍的距离一般在百米以上，噪声和距离的关系呈衰减关系，为Lr=Lo-20lg(l/lo)，因而在多数情况下变压器冷却方式不会对周边环境构成严重的影响。

　　采用油泵、风扇机械冷却方式，需增加一定的维护工作，但大型变压器均设1台动态后备冷却器，油泵、风扇检修时可投入备用冷却器，只要适当维护，不会因冷却器的机械故障而增加停电概率。

　　因强迫油循环冷却变压器的运行经验较丰富，油流带电并不是固有的缺陷，只要适当增加绝缘冗余度，合理设计油道，油流带电问题也不能成为选择自然油循环方式的理由。

　　对于强迫油循环强迫风冷变压器，其冷却器油泵、风扇比采用片式散热器的自然冷却变压器要多消耗一定能量，以250MVA单相变压为例，ODAF冷却方式用电功率约为17 kW，ONAF冷却方式的用电功率约为8 kW，约占变压器总损耗的1.5%。

　　综上原因，建议加强对自然油循环冷却方式变压器负荷特性的研究，结合国内情况分析其技术经济比，尽快制定选用的指导性意见，在无特殊理由的情况下，不应无条件要求采用，应采取慎重态度。

　　1.3　空载和短路损耗

　　国内运行的大型变压器的损耗水平统计列于表2。

　　表2　500 kV大型变压器损耗情况

　　20世纪90年代以前生产的变压器因硅钢片处理技术的原因，空载损耗大于后期生产的变压器；日本产变压器空载损耗指标较好；欧洲产变压器短路损耗指标较好；三相共体变压器损耗一般小于单相变压器；壳式结构的变压器能做到最优的损耗与质量比。

　　根据铁路运输要求，变压器外形尺寸一般要求长度小于7 m，宽度小于3.6 m，高度小于4.1 m，运输质量小于140t，因此对于250 MVA单相自耦变压器，如果空载损耗要求小于75 kW，短路损耗要求小于350 kW，一般均能满足运输限制要求。

　　1.4　自耦和非自耦变压器

　　以500/220 kV变压器为例，如果采用自耦变压器，则可比非自耦变压器多获得0.56的效益系数，所以大型变压器多数采用自耦变压器形式。

　　采用自耦变压器后，为防止高压侧发生接地短路时引起中压侧过电压，变压器中性点必须接地。中性点接地后，变压器零序等值阻抗变小，当系统大量采用自耦变压器后，系统单相短路电流水平有时会超过三相短路电流水平。为限制短路电流水平，目前有的工程采用了在变压器中性点串接小电抗器的措施来限制单相短路电流水平。在系统有要求中性点串接小电抗器时，应计算短路时变压器的工频过电压情况，并采取合适的措施以防止变压器的非正常损伤。