水電站主變壓器選型方法及思路
| 摘 要：重點介紹了溪洛渡水電站主變壓器的運輸條件、性能參數(shù)、布置安裝、中性點接地方式和水冷卻器的選擇，經(jīng)過對國內(nèi)外主要變壓器廠收資的分析，推薦了溪洛渡水電站主變壓器的型式。 關(guān)鍵詞：主變壓器；參數(shù)；選型；單相變壓器；組合式三相變壓器；現(xiàn)場組裝三相變壓器；技術(shù)分析；經(jīng)濟分析；溪洛渡水電站 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(shè)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?，F(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(fù)荷中心最近的骨干電源之一，也是金沙江上******的一座水電站。電站裝機18臺，單機容量700 MW，總裝機容量達(dá)12 600 MW，單機******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(shè)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(guān)站。 3 運輸條件 超大型水電站機電設(shè)備重大件包括：水輪機轉(zhuǎn)輪、主變壓器、橋機主梁、主軸、轉(zhuǎn)子中心體、轉(zhuǎn)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(fù)雜，交通運輸設(shè)施和條件惡劣，因此機電設(shè)備重大件運輸方案是電站設(shè)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(yīng)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(xì)周密的經(jīng)濟技術(shù)比較后，才能最終確定電站機電設(shè)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(wù)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(shè)備的設(shè)計和制造技術(shù)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(shè)備的單機容量還有增大的趨勢?？紤]到許多電站的發(fā)電機均有設(shè)置******容量的要求，因此需要有相應(yīng)的大型變壓器設(shè)計和制造技術(shù)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(shù)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(shè)備的絕緣強度、系統(tǒng)的穩(wěn)定、繼電保護、開關(guān)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(yīng)根據(jù)諸方面的影響因素進行綜合的技術(shù)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??；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(dāng)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(yīng)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(jì)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(shù)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(yīng)根據(jù)工程具體情況選用適當(dāng)?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(shè)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(dá)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(shè)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(shè)計及制造經(jīng)驗成熟，應(yīng)用較廣。特殊單相變壓器的結(jié)構(gòu)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(dá)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(shù)，將鐵芯、線圈、油箱分成各自保持著基本結(jié)構(gòu)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(shè)備本體成本最低。但安裝時間長，對安裝場地、設(shè)備和環(huán)境條件、安裝工藝要求嚴(yán)格。 6 技術(shù)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(shè)置 根據(jù)國內(nèi)外各變壓器生產(chǎn)廠的有關(guān)技術(shù)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?，F(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(shè)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(shè)備安裝工期較緊，導(dǎo)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： ?。?）現(xiàn)場設(shè)備、工具和材料配置，設(shè)備本身的質(zhì)量，組裝、調(diào)試及時間的不確定性； ?。?）現(xiàn)場指揮管理系統(tǒng)和技術(shù)人員組織管理能力及經(jīng)驗、事故處理能力的不確定性； ?。?）設(shè)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(fù)載損耗測量等例行試驗，還應(yīng)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(shè)備，又增加了現(xiàn)場組裝工期的不確定性。 6．1．3 工程應(yīng)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?，F(xiàn)場組裝三相變壓器目前國內(nèi)僅在220kV變壓器中應(yīng)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(yù)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(shè)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(shù)風(fēng)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(xì)技術(shù)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(shè)計和制作工藝、施工組織和管理、安裝人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度、安裝設(shè)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(dǎo)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(shè)計、制造和安裝技術(shù)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(dá)到220kV級，容量達(dá)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(cè)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 |
