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戶內(nèi)110kV變壓器的選擇
來源: | 作者:champzon | 發(fā)布時(shí)間: 3188天前 | 4993 次瀏覽 | 分享到:
摘要：本文就SF6氣體絕緣變壓器(GIT)和環(huán)氧澆注干式變壓器(HJB)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及其發(fā)展前景等相關(guān)問題作了剖析和比較，指出HJB應(yīng)當(dāng)是戶內(nèi)110kV變壓器的首選，而且應(yīng)當(dāng)加速推廣使用。
　　摘要：本文就SF6氣體絕緣變壓器(GIT)和環(huán)氧澆注干式變壓器(HJB)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及其發(fā)展前景等相關(guān)問題作了剖析和比較，指出HJB應(yīng)當(dāng)是戶內(nèi)110kV變壓器的首選，而且應(yīng)當(dāng)加速推廣使用。


　　關(guān)鍵詞：GIT；HJB；額定容量；抗短路強(qiáng)度；環(huán)境保護(hù)；運(yùn)行維護(hù)


　　隨著110kV的電力設(shè)備進(jìn)到大型建筑群的內(nèi)部，甚至進(jìn)到戶內(nèi)，防燃防爆便成為對(duì)變壓器運(yùn)行安全的第一要求。GB50060—1992《3～110kV高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.4.4條規(guī)定：“在高層民用主體建筑中，設(shè)置在首層或地下層的變壓器不宜選用油浸變壓器，設(shè)置在其他層的變壓器嚴(yán)禁選用油浸變壓器?！?/span>


　　為了提高變壓器的防火性能，人們嘗試用各種不燃或難燃的液態(tài)介質(zhì)代替變壓器油，但終因性能、價(jià)格、油源、環(huán)保等原因而未能找到合適的替代品。[JP3]近幾年有一種名為電纜變壓器的瑞士ABB產(chǎn)品（dryformer）已投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，其繞組用交聯(lián)聚乙烯電纜繞制而成。據(jù)有些專家預(yù)言該產(chǎn)品將有可能成為變壓器家族中的新秀。但目前其價(jià)格高于油浸變壓器4～5倍。已有100多年歷史的浸漬式干式變壓器，由于電壓等級(jí)上不去，也很難在110kV電網(wǎng)中得到應(yīng)用。因此，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)統(tǒng)籌考慮，結(jié)合實(shí)際情況，至今只有二個(gè)選擇是現(xiàn)實(shí)的：SF6氣體變壓器和環(huán)氧澆注變壓器。按照國(guó)標(biāo)GB6450—1986的定義，這二種變壓器都屬于干式變壓器。


　　1二種變壓器概況


　　1.1SF6氣體絕緣變壓器（GIT）


　　SF6是一種惰性氣體，絕緣、絕熱性能居諸氣體之冠。GIT的主要特點(diǎn)是用SF6氣體代替變壓器油。從20世紀(jì)60年代初國(guó)外就開始了這項(xiàng)嘗試。目前在日本，GIT的電壓已可達(dá)到500kV，單臺(tái)容量可以達(dá)到300MVA，技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟。我國(guó)目前沒有GIT的制造廠，但在上世紀(jì)末，我國(guó)一些城市相繼引進(jìn)了日本生產(chǎn)的110kVGIT并投入使用，積累了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。


　　與油浸變壓器相比，GIT的防火性優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。但也有弱勢(shì)：①目前只能進(jìn)口，價(jià)格較高；②由于SF6氣體本身的絕緣強(qiáng)度，傳熱能力比變壓器油差得多，這使得在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上不得不加大氣體密度（壓力），加大散熱通道的有效橫截面積，加大絕緣距離，加強(qiáng)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)量等。使結(jié)構(gòu)、運(yùn)行維護(hù)變得復(fù)雜，造成了GIT在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的劣勢(shì)；③SF6氣體是《京都國(guó)際議定書》認(rèn)定的溫室氣體之一，且其某些分解物有毒。廠方保證年泄漏率＜1%，即一臺(tái)110kVGIT的日泄漏量為1～2L。在環(huán)境保護(hù)越來越受關(guān)注的今天，國(guó)際社會(huì)將如何限制SF6氣體的使用尚不可知。


　　1.2環(huán)氧澆注變壓器（HJB）


　　HJB問世也已近40年，最早的產(chǎn)品出自于西德AEG和Simens公司。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，HJB已占配電變壓器市場(chǎng)份額的40%以上。但直到上世紀(jì)末，電壓最高只達(dá)到了66kV。


　　國(guó)內(nèi)生產(chǎn)HJB的廠家有百余家，生產(chǎn)歷史最長(zhǎng)的也近30年。在研制110kVHJB的過程中，針對(duì)電壓升高、容量加大，采取了若干有效的技術(shù)措施，達(dá)到了較好的效果，并順利通過了樣機(jī)的型式試驗(yàn)。措施有：采用純樹脂浸漬式澆注、用無堿玻璃纖維增強(qiáng)、薄層絕緣技術(shù)根治開裂；采用圓筒式繞組，設(shè)置多層軸向散熱氣道，使每層導(dǎo)線兩面散熱，以降低熱點(diǎn)溫度；屏蔽高壓繞組的氣道等，降低局放。HJB單臺(tái)單相容量最大也已作到了24MVA。但國(guó)內(nèi)外至今只有一組31500/110的110kVHJB（由三臺(tái)單相組成）問世，是由山東金曼克集團(tuán)公司研發(fā)的。該產(chǎn)品樣機(jī)1999年9月通過國(guó)家變壓器質(zhì)檢中心的全面測(cè)試（含突發(fā)短路試驗(yàn)），同年11月通過兩部技術(shù)鑒定，2000年11月在山東濟(jì)寧龍橋變電站投入電網(wǎng)運(yùn)行。2002年通過國(guó)家機(jī)械聯(lián)和國(guó)家電力公司聯(lián)合組織的運(yùn)行鑒定。結(jié)論是：經(jīng)試驗(yàn)和運(yùn)行驗(yàn)證，該產(chǎn)品抗短路能力強(qiáng)、過載能力高、無污染、免維護(hù)、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理，在世界上屬于首例，其技術(shù)水平國(guó)際領(lǐng)先。建議加快系列產(chǎn)品開發(fā)，抓緊進(jìn)行批量生產(chǎn)和推廣使用。


　　盡管專家評(píng)價(jià)高，運(yùn)行反映好，但110kV的HJB制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，疑慮不少。本文擬就有關(guān)GIT和HJB的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題作一剖析和比較。


　　2GIT與HJB的主要技術(shù)參數(shù)（略）


　　3主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)的分析與比較


　　3.1容量


　　變壓器的允許負(fù)荷與冷卻方式是直接相關(guān)的，然而在標(biāo)注額定容量時(shí)，氣體變壓器（GIT）與固體變壓器（HJB）不同。東芝GIT的額定容量是內(nèi)部強(qiáng)迫導(dǎo)向循環(huán)，外加強(qiáng)迫風(fēng)冷，即GDAF下的容量，為63MVA，而自冷容量不到1/3；而金曼克HJB的額定容量是完全自冷下的容量，為50MVA，啟動(dòng)通風(fēng)冷卻后，容量可增加30%以上。這在二者比較時(shí)應(yīng)特別注意。


　　3.2溫升


　　變壓器的允許溫升（與環(huán)境溫度之差）受其絕緣的耐熱等級(jí)制約。GIT是E級(jí)絕緣，允許溫升75K。實(shí)測(cè)為67.3K，這是變壓器箱殼內(nèi)上層氣體的溫升。HJB是F級(jí)絕緣，允許溫升100K。實(shí)測(cè)的結(jié)果是：繞組平均溫升61.3K，鐵心76.1K。很明顯，GIT的繞組和鐵心的實(shí)際溫升比HJB的高，至少要高十幾開，而其絕緣的耐熱溫升限額卻低25K。還須指出GIT繞組用的主縱絕緣的固體材料是交聯(lián)聚乙烯（XLPE）膜，它比通常的環(huán)氧材料容易熱老化。所以，在同樣的負(fù)荷率和環(huán)境溫度下，如果沒有意外事故，HJB絕緣的熱壽命會(huì)比GIT長(zhǎng)許多。


　　3.3絕緣水平


　　從技術(shù)參數(shù)對(duì)照表可以看到GIT的絕緣水平比HJB的要高。顯然是絕緣裕度大。但這里有如下三點(diǎn)應(yīng)說明。


　　3.3.1過電壓保護(hù)


　　如今110kV配電裝置必配氧化鋅避雷器（MOA）。這時(shí)，避雷器的殘壓是絕緣配合的基礎(chǔ)。國(guó)標(biāo)GB11032—2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》規(guī)定的可供110kV系統(tǒng)選用的MOA的雷電沖擊電流殘壓最大為281kV，最小為235kV。很明顯，即使選用雷電沖擊殘壓最大的MOA，HJB的雷電耐受電壓LI450和GIS的LI550的配合因數(shù)分別達(dá)1.6和1.96，都完全滿足我國(guó)國(guó)標(biāo)GB311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》的“4.7.3配合因數(shù)Kc”中Kc≥1.4的要求的。


　　3.3.2絕緣老化


　　國(guó)標(biāo)GB311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》的“4絕緣配合基本原則”中規(guī)定：“考慮所采用的過電壓保護(hù)措施后，決定設(shè)備上可能的作用電壓，并根據(jù)設(shè)備的絕緣特性及可能影響絕緣特性的因素，從安全運(yùn)行和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性兩方面確定設(shè)備的絕緣水平?！笨紤]到GIT中主縱絕緣中的XLPE的熱老化性能相對(duì)（油紙）較差，要求GIT降低溫升設(shè)計(jì)值和提高絕緣的沖擊電壓耐受水平是必要的。


　　3.3.3絕緣污染


　　HJB和GIT最明顯的區(qū)別是有無密封的殼罩。HJB的心體完全裸露在環(huán)境大氣中，防污染就需加強(qiáng)。這需要從設(shè)計(jì)上對(duì)環(huán)境的凈化和通風(fēng)給予更大重視。通風(fēng)包括變壓器室的通風(fēng)和變壓器內(nèi)外表面的吹風(fēng)。后者至少是應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行的。吹風(fēng)機(jī)兼作冷卻器，一身兩任。戶內(nèi)GIS也需室內(nèi)通風(fēng)，而且配置的容量因總損耗較大而稍大于HJB。


　　3.4冷卻


　　GIT的冷卻方式比較復(fù)雜。一臺(tái)110kV、63MVA的變壓器，配置了強(qiáng)迫內(nèi)循環(huán)及導(dǎo)向，外部是強(qiáng)迫吹風(fēng)，而且?guī)缀跣枰Ｄ赀\(yùn)行，否則容量只能達(dá)到額定的30%左右。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示：GIT冷卻系統(tǒng)的故障率較高，維護(hù)工作量大。而HJB只需要幾臺(tái)風(fēng)機(jī)即可達(dá)到冷卻效果。


　　3.5損耗


　　損耗是電力變壓器最重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，也是用戶最關(guān)注的指標(biāo)之一。由于鐵心原材料在單耗和單價(jià)上均已有很大的選用范圍，于是損耗主要是個(gè)在經(jīng)濟(jì)上一次初投資和終生總投資的優(yōu)化問題。


　　上述二種變壓器的損耗應(yīng)有三項(xiàng)：空載損耗、負(fù)載損耗、輔機(jī)損耗。在其目前的價(jià)格水平下：


　　空載損耗：GIT低于HJB18～24?kW；


　　負(fù)載損耗：都換算到63?MVA，85℃時(shí)，HJB比GIT低41?kW以上；


　　輔機(jī)損耗：GIT比HJB大2～3倍。


　　三項(xiàng)損耗加起來，同樣出力63?MVA時(shí)，二者的設(shè)計(jì)保證值，例3的HJB比例1的GIT低10%以上，參見表1。


　　3.6電壓組合和分接開關(guān)


　　由于目前只能選用真空觸點(diǎn)的有載分接開關(guān)使得干式變壓器的調(diào)壓范圍可能受到一些限制。如：MR的3×VT500型，級(jí)電壓1000V，13級(jí)，500/5000A。其調(diào)壓范圍為±6×1.5%，短路電流5kA，對(duì)地絕緣水平是LI250AC80，盡管稍低于變壓器高壓中性點(diǎn)的絕緣水平，但安裝在高壓繞組的接地端，并配以MOA運(yùn)行，是沒有問題的。日本東芝和三菱都稱用他們母廠的有載開關(guān)，調(diào)壓范圍可達(dá)±8×1.25%。


　　如果采用停電調(diào)壓，HJB連分接開關(guān)也不需要，只需調(diào)換分接頭，而且分接頭還可以增多。


　　3.7短路強(qiáng)度


　　變壓器的短路強(qiáng)度問題是近10年來最受關(guān)注的安全問題。HJB在此方面較有優(yōu)勢(shì)。澆注良好且固化了的環(huán)氧繞組的抗拉抗彎強(qiáng)度比繞組在運(yùn)行中可能經(jīng)受的應(yīng)力大十幾倍。HJB的突發(fā)短路試驗(yàn)都是一次通過的，只有個(gè)別墊塊移位，而繞組本身并無形變或位移。不僅35kV及以下的HJB久經(jīng)考驗(yàn)，110kV的HJB樣機(jī)也順利通過了突發(fā)短路的沖擊試驗(yàn)。關(guān)于GIT的耐短路沖擊強(qiáng)度，廠方稱：雖沒有作過試驗(yàn)，但強(qiáng)度可以保證。然而氣體變壓器要作到與油浸變壓器同樣的動(dòng)穩(wěn)定水平就有些難度，作到HJB的動(dòng)穩(wěn)定水平就更難了。


　　3.8反映工藝質(zhì)量的四個(gè)參數(shù)


　　3.8.1空載電流


　　空載電流的設(shè)計(jì)保證值是設(shè)計(jì)人員對(duì)材質(zhì)和裁片、迭片工藝的最低要求的反映；實(shí)測(cè)值是材質(zhì)和裁片、迭片工藝的實(shí)際質(zhì)量的反映。影響空載電流最顯著的因素是鐵心的矽鋼片的搭接縫隙。二者相比，HJB好些，受益于其多步級(jí)迭片工藝。


　　3.8.2阻抗電壓偏差


　　阻抗電壓偏差有兩重內(nèi)涵：一是實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏差，主要反映設(shè)計(jì)計(jì)算的成熟程度；二是三個(gè)單相彼此間的偏差，是工藝質(zhì)量控制的直接反映。三相六繞組，同心度、圓度、高低壓繞組的高度，彼此間的間隙都會(huì)反映到阻抗電壓的差別上來。表1中HJB明顯優(yōu)于GIT。


　　3.8.3局部放電


　　隨著變壓器技術(shù)的發(fā)展，局部放電測(cè)試主要是考核制作工藝是否精良（含制作環(huán)境）和有無意外缺陷。近20多年，變壓器的局部放電量已由以前普遍的幾千pC，降到了目前的100～200pC及以下。


　　表1中變壓器的局部放電量都很小，從實(shí)測(cè)數(shù)值看HJB的局部放電量是GIT的2.4倍，但HJB的試驗(yàn)電壓是GIT的1.7倍。HJB高壓繞組的散熱氣道設(shè)置了電屏蔽，已顯著降低了局部放電量。


　　3.8.4噪聲


　　噪聲的主要來源是冷卻系統(tǒng)。其大小既取決于選用的技術(shù)參數(shù)，也受制于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝質(zhì)量控制水平；既是個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，又是個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。表1中例1和例3的保證值分別為75dB和69dB。后者（HJB）赤裸心體，前者（GIT）有厚密（不低于6mm）的彈性金屬罩遮蔽，不計(jì)這個(gè)因素，GIT的噪聲能量（由電能轉(zhuǎn)化為聲能的功率）是HJB的2～3倍左右，由于有罩，這個(gè)倍數(shù)還會(huì)大一些。另外，測(cè)試點(diǎn)離設(shè)備輪廓線的距離，GIT是2m，HJB是1m，導(dǎo)致這個(gè)倍數(shù)還會(huì)更大些。HJB的噪聲明顯低于GIT。


　　3.9安裝的兩個(gè)要素——質(zhì)量和外形尺寸


　　3.9.1質(zhì)量


　　同容量的雙繞組110kV變壓器相比，GIT比油浸變壓器輕10%左右，而HJB（三個(gè)單相之和）比油浸變壓器重20%～25%。從運(yùn)輸考慮，HJB是三個(gè)單相的組合，每臺(tái)單相的運(yùn)輸質(zhì)量不到GIT的一半。運(yùn)輸障礙和費(fèi)用可能稍少些。


　　3.9.2外形尺寸


　　設(shè)備的外形尺寸涉及到用地和建筑面積。GIT和HJB的安裝平面尺寸都比油浸變壓器大。GIT本體由于前面所述的原因就需略大于油浸變壓器；而HJB是三個(gè)單相組成，雖三相之間無須防火隔離，但需巡檢通道。占地也比油浸變壓器大。如果用套管出線，GIT的安裝高度與油浸變壓器差別不大；如果用電纜出線，那就與HJB差不多。GIT的冷卻系統(tǒng)復(fù)雜,在總的安裝高度或平面尺寸上還需有所增加。實(shí)際上，GIS占地比HJB大10%～20%。


　　3.10運(yùn)行監(jiān)測(cè)


　　眾所周知，監(jiān)測(cè)油浸式變壓器并對(duì)油中氣體進(jìn)行色譜分析是檢出其內(nèi)部缺陷最有力的手段。干式變壓器沒有了油，誰來為變壓器的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。對(duì)于GIT，這將是一個(gè)一時(shí)難以解決的問題；而HJB，由于其器身完全裸露，為檢缺功能強(qiáng)大的紅外熱像檢測(cè)提供了施展功能的條件。當(dāng)然在設(shè)計(jì)安裝場(chǎng)合必須預(yù)留從上、下、左、右、前、后六個(gè)方位的檢測(cè)位置，定期進(jìn)行帶電檢測(cè)或剛停電檢測(cè)（當(dāng)然這需要有一個(gè)規(guī)定），并有把握檢出HJB的大多數(shù)熱異常。而GIT則只能更多地仰仗制造廠的技術(shù)質(zhì)量。


　　3.11參考價(jià)格


　　經(jīng)詢價(jià)：東芝報(bào)的容量為50/16MVA的110kVGIT的到站（離工地最近的火車站）價(jià)為60萬美元，63/20MVA110kVGIT為70萬美元。金曼克報(bào)的額定容量為50MVA的110kVHJB的到站價(jià)為420萬人民幣（含MR有載分接開關(guān)），僅為前者的80%左右，并承諾，安全運(yùn)行二年后付款，質(zhì)保期內(nèi)的所有損失由廠方投保。


　　4結(jié)論


　　從上述分析看，HJB在容量與價(jià)格比、運(yùn)行維護(hù)、短路強(qiáng)度、環(huán)保、壽命等五方面占有優(yōu)勢(shì)，但在絕緣裕度、制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等三方面則是GIT占優(yōu)。


　　其他幾項(xiàng)的優(yōu)劣程度相差不大，如：占地、對(duì)安裝環(huán)境的要求、損耗和局部放電量、電壓可調(diào)整的范圍等。


　　歸納而言，國(guó)產(chǎn)的110kV樹脂澆注干式變壓器在主要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)上明顯地優(yōu)于從日本進(jìn)口（歐美國(guó)家不生產(chǎn)）的SF6氣體（干式）變壓器。該產(chǎn)品經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，并兩次通過國(guó)家頂級(jí)權(quán)威質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的測(cè)試和國(guó)家級(jí)專家群的鑒定認(rèn)優(yōu)。為了積累制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，更有必要把這一領(lǐng)先于國(guó)際技術(shù)水平的新品作為戶內(nèi)110kV變壓器的首選。通過大量使用，促其優(yōu)化成熟，助其走向世界。


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　　作者簡(jiǎn)介：鄔偉民（1946-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼待遇；


　　范德民（1949-），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事電力設(shè)備的技術(shù)管理工作；


　　王劍（1964），男，高級(jí)工程師，從事電力工程設(shè)計(jì)工作。