大容量主變壓器在220 kV電網(wǎng)變電站中的應(yīng)用分析

侯國柱，曹效義，張曉妍

（內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

近年來，內(nèi)蒙古工業(yè)園區(qū)用電負(fù)荷增長迅速，現(xiàn)有輸變電設(shè)施的供電能力已無法滿足新增負(fù)荷的供電需要，地區(qū)新增負(fù)荷的供電質(zhì)量及可靠性受到影響。工業(yè)園區(qū)用電具有負(fù)荷較大、范圍集中的特點(diǎn)，供電規(guī)劃設(shè)計(jì)尤其需要考慮負(fù)荷集中性強(qiáng)的因素，如果仍按照常規(guī)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，建設(shè)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性和可靠性往往較低[1-3]。在負(fù)荷增長較快、集中性強(qiáng)的地區(qū)，若探索提高單臺(tái)主變壓器的容量，采用大容量主變壓器，就可以壓縮變電站征地面積、降低建設(shè)成本[4-5]，并減少運(yùn)營成本。

1 360 MVA/220 kV變壓器在電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 國內(nèi)220 kV主變壓器應(yīng)用現(xiàn)狀

依據(jù)國內(nèi)有關(guān)電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備規(guī)范中主變壓器選型內(nèi)容，220 kV變電站主變壓器最大容量可選取240 MVA[6]。某些發(fā)電企業(yè)和鋼鋁工業(yè)用戶有少量容量300 MVA的變壓器在掛網(wǎng)運(yùn)行，但僅限于雙卷變壓器，與電網(wǎng)常用的三卷降壓變壓器有所不同。目前國內(nèi)電網(wǎng)220 kV變電站的主變壓器仍以180 MVA和240 MVA容量為主。以內(nèi)蒙古電網(wǎng)為例，240 MVA變壓器占15%、180 MVA占15%、其他容量占55%。因此，采用360 MVA/220 kV變壓器是國內(nèi)電網(wǎng)的一次新的嘗試。

1.2 360 MVA主變壓器的優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 節(jié)省占地面積

為了分析360 MVA主變壓器的優(yōu)劣性，本文設(shè)計(jì)了變電站的兩個(gè)初步方案，方案一主變壓器建設(shè)規(guī)模為4×240 MVA，電氣總平面如圖1所示；方案二主變壓器建設(shè)規(guī)模為3×360 MVA，電氣總平面如圖2所示。兩個(gè)方案220 kV和110 kV配電裝置均采用戶外GIS設(shè)備，出線回路數(shù)相同，站內(nèi)35 kV配電裝置及其他設(shè)施規(guī)模相同。

圖1 方案一（單臺(tái)主變壓器容量240 MVA）電氣總平面圖Fig.1 General electrical plan of schemeⅠ(capacity of single main transformer is 240 MVA)

圖2 方案二（單臺(tái)主變壓器容量360 MVA）電氣總平面圖Fig.2 General electrical plan of schemeⅡ(capacity of single main transformer is 360 MVA)

對(duì)比分析兩個(gè)方案，由于方案一中變電站減少了主變壓器數(shù)量以及主變壓器三側(cè)進(jìn)線間隔、分段間隔及母線設(shè)備間隔數(shù)量，因此變電站的占地面積較較方案二節(jié)省約15%。

1.2.2 節(jié)省投資

上述兩個(gè)方案中變電站主變壓器的總?cè)萘糠謩e為1080 MVA和960 MVA，方案二比方案一增加了120 MVA供電能力，兩個(gè)方案都解決了地區(qū)110 kV變接入落點(diǎn)問題，變電站的功能和定位基本相同，技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面具有可比性。變電站基建階段幾項(xiàng)重要指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 兩種方案重要指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Technical and economic comparison of important indicators

由表1可看出，就基本對(duì)比項(xiàng)目投資而言，方案二合計(jì)費(fèi)用比方案一可節(jié)省5%。方案二征地費(fèi)用較方案一節(jié)省14%左右；主要電氣一次設(shè)備費(fèi)和相應(yīng)設(shè)備基礎(chǔ)投資方面，由于方案二中各電壓等級(jí)主變壓器進(jìn)線間隔數(shù)量少于方案一，因此，除主變壓器費(fèi)用外，其他設(shè)備費(fèi)用方案二均低于方案一。

此外，方案二較方案一減少了1臺(tái)主變壓器，全站主變壓器消防設(shè)施（如變壓器噴水噴霧系統(tǒng)或泡沫滅火系統(tǒng)）相應(yīng)減少了工程量；同樣，主變壓器保護(hù)系統(tǒng)、油色譜在線監(jiān)測裝置及相應(yīng)的二次電纜使用量都相應(yīng)減少，主變壓器相關(guān)的附屬設(shè)施工程量有所減少，設(shè)備投運(yùn)后的維護(hù)工作量也相應(yīng)減少。

2 360 MVA/220 kV變壓器主要技術(shù)參數(shù)的選擇

2.1 變壓器容量和接線組別的選擇

按照地區(qū)電網(wǎng)需求和規(guī)劃，變壓器高壓、中壓、低壓的電壓設(shè)定為220 kV、110 kV、35 kV，高壓、中壓采用全容量（即360 MVA）。考慮到大容量變壓器在電網(wǎng)中的作用和功能，360 MVA變壓器低壓側(cè)不建議采用分裂變壓器。低壓側(cè)采用分裂變壓器雖然能有效降低單個(gè)繞組的占空比，但變壓器整體體積會(huì)增加，給制造和運(yùn)輸帶來風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，當(dāng)其中1個(gè)分支短路退出運(yùn)行后，另1支的抗短路能力將大大降低，分裂變壓器不利于安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，低壓側(cè)容量選擇按1/3主變壓器容量配置，即120 MVA，這樣可使低壓側(cè)開關(guān)輸出容量不受限制，同時(shí)也不影響主變壓器的抗短路能力[7-9]。

本文研究的360 MVA變壓器，受地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃的限制，聯(lián)結(jié)組別采用YN/yn0/yn0型式，變壓器中沒有三角形繞組。這種情況下，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的常規(guī)做法是變壓器另加一個(gè)10 kV平衡繞組。平衡繞組采用三角形接線，一般不對(duì)外輸出功率，主要為三次諧波電流提供通路，消除三次諧波磁通，從而消除電壓中的三次諧波分量[10-13]，本文研究的360 MVA變壓器也增加了10 kV平衡繞組。平衡繞組容量的配置，國家標(biāo)準(zhǔn)中未作明確規(guī)定，結(jié)合平衡繞組在變壓器中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行方式及平衡繞組的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)，綜合各制造廠意見，在確保變壓器能夠滿足使用要求的情況下，當(dāng)其僅充當(dāng)平衡繞組時(shí)，一般設(shè)計(jì)成10 kV級(jí)，容量大約為變壓器額定容量的1/3。因此，本文研究的360 MVA變壓器平衡繞組容量設(shè)置為120 MVA。

在燕麥出苗后，選取長勢一致的10個(gè)植株，每7 d調(diào)查記錄葉長、葉寬及物候期。成熟后對(duì)各個(gè)小區(qū)標(biāo)記的10個(gè)植株進(jìn)行考種，調(diào)查每株穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重等穗部性狀以及株高、葉片數(shù)、和分蘗數(shù)等農(nóng)藝性狀。

綜上所述，當(dāng)變壓器三側(cè)電壓分別為220 kV、110 kV、35 kV時(shí)，合理的變壓器容量比為360 MVA/360 MVA/120 MVA+120 MVA（10 kV平衡繞組容量）；聯(lián)結(jié)組別最終選擇采用YN/yn0/yn0+d型式。

2.2 冷卻方式的選擇及噪聲分析

目前，變壓器常用冷卻方式有油浸式自冷、油浸式風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷等。針對(duì)360 MVA主變壓器的冷卻方式，各制造廠給出了不同意見，國內(nèi)6個(gè)變壓器制造廠（西安西電變壓器有限責(zé)任公司、特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限責(zé)任公司、重慶ABB變壓器有限公司、新疆特變電工股份有限公司、東泰開變壓器廠、山東電力設(shè)備有限公司）中4個(gè)制造廠建議采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式，另外2個(gè)制造廠建議采用強(qiáng)油風(fēng)冷方式。各種冷卻方式的特點(diǎn)如下。

（1）自然油循環(huán)自冷方式：由于本次采用的主變壓器容量太大，自冷方式變壓器外掛散熱器體積會(huì)超出器身兩側(cè)很多，結(jié)構(gòu)不合理，因此制造廠均不建議采用自然油循環(huán)自冷方式。

（2）自然油循環(huán)風(fēng)冷方式：具有工藝成熟、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。采用該方式時(shí)變壓器噪聲水平可控制在70 dB以下，最低可控制在65 dB（但造價(jià)會(huì)增加）[12]。

（3）強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷方式：油箱體結(jié)構(gòu)更緊湊合理，外形尺寸更小，抗短路能力強(qiáng)；但故障率和運(yùn)行維護(hù)工作量增大，宜采用質(zhì)量較好的油泵；變壓器噪聲水平只能控制在75 dB。

油浸式變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的冷卻系統(tǒng)，具有工作電源可靠性要求高、冷卻系統(tǒng)自冷性能低、檢修維護(hù)量大、能耗噪聲高等弱點(diǎn)，如果風(fēng)冷系統(tǒng)故障，將會(huì)造成變壓器過負(fù)荷停運(yùn)，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行和可靠供電。而油浸式變壓器自然冷卻/自然油循環(huán)風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)具有良好的自冷性能、維護(hù)量小、能耗及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。綜合上述分析，建議主變壓器采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式。

2.3 360 MVA變壓器的其他主要參數(shù)

對(duì)于變壓器的損耗、噪聲和溫升等參數(shù)，綜合各方意見，兼顧經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，并參考已成熟應(yīng)用的360 MVA/330 kV主變壓器參數(shù)，得到360 MVA/220 kV變壓器主要技術(shù)參數(shù)的推薦值，如表2所示。

表2 360 MVA變壓器技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of 360 MVA transformer

3 應(yīng)用效果

由于360 MVA/220 kV變壓器為國內(nèi)電網(wǎng)首次使用，某些設(shè)備的試驗(yàn)報(bào)告制造廠只能在產(chǎn)品出廠后提供，例如，采購階段不要求制造廠提供本型號(hào)變壓器的型式試驗(yàn)和短路承受能力試驗(yàn)報(bào)告，制造廠按要求提供短路承受能力計(jì)算報(bào)告即可，待出廠時(shí)再提供國家標(biāo)準(zhǔn)要求的其余試驗(yàn)報(bào)告。

設(shè)計(jì)參數(shù)為360 MVA/220 kV的主變壓器已于2019年12月在內(nèi)蒙古電網(wǎng)棋盤井220 kV變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，截至目前，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益明顯。表3—表6為棋盤井360 MVA變壓器出廠試驗(yàn)報(bào)告中相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；測試的油箱表面熱點(diǎn)溫度為73.7℃（位置：中壓側(cè)V相升高座，冷卻介質(zhì)溫度：24.9℃）[12]。

表3 變壓器負(fù)載損耗Tab.3 Transformer load loss

表6 變壓器噪聲測試結(jié)果Tab.6 Test results of transformer noise

將實(shí)測數(shù)據(jù)與表2數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以看出產(chǎn)品性能均滿足預(yù)設(shè)參數(shù)的要求，同時(shí)也證明了本文事先擬設(shè)的360 MVA變壓器參數(shù)是科學(xué)合理的。

表4 變壓器空載損耗Tab.4 Transformer empty?load loss

目前，國內(nèi)廠家生產(chǎn)大容量三相220 kV降壓變壓器并無技術(shù)壁壘，制造標(biāo)準(zhǔn)可借鑒特高壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)。從制造工藝上看，凡能生產(chǎn)特高壓設(shè)備的專業(yè)制造廠都不存在整組起吊和試驗(yàn)問題，大件運(yùn)輸也完全可以通過水、陸或鐵路運(yùn)輸[14]。

4 結(jié)語

內(nèi)蒙古電網(wǎng)在負(fù)荷增長較快、集中性強(qiáng)的地區(qū)探索使用了大容量變壓器，在變電站方案設(shè)計(jì)中首次嘗試了大容量變壓器參數(shù)選擇工作。掛網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可供360 MVA及更大容量的220 kV變壓器在電網(wǎng)中的應(yīng)用提供參考。

表5 變壓器頂層油溫升和繞組溫升Tab.5 Top oil temperature rise and winding temperature rise of transformer