大型發電機變壓器結構型式的探討

/ 保定天威保變電氣股份有限公司 陸廣/

大型發電機變壓器結構型式的探討

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介紹了大型發電機變壓器主要的結構型式，并分析了每種結構型式的優缺點。

結構型式 單相變壓器組式 三相一體式 現場組裝式 三相組合式

0 引言

發電機主變壓器是發電廠發出電能必不可少的重要設備。隨著電力工業的發展，發電機單機容量不斷增大，與之配套的主變器容量也隨之增大。目前我國最大的三相變壓器容量達1200MVA，單相變壓器容量達700MVA。這樣的龐然大物既要考慮設備的安全性、經濟性，還要能做的出來，運得出去，那么變壓器選擇合適的結構型式就顯得尤為重要了，是設計大型發電機變壓器考慮的首要條件。

1 可供選擇的結構型式

1.1 單相變壓器組式

單相變壓器有著非常成熟的設計、制造、運行經驗。單相變壓器組由三個結構完全一致的單相變壓器組成，每臺變壓器有獨立的電路、磁路、油路、冷卻器和儲油柜等，方便設置備用相而且成本低。變壓器體積適中，運輸重量較輕。流經低壓套管電流較小，易于選擇。而且單相變壓器結構布置靈活，器身結構可以采用單相三柱式，繞組布置在一個芯柱上，一般用在單相容量在400MVA以下變壓器。器身結構也可以采用單相四柱式，一般用在單相容量在400MVA以上變壓器，繞組布置在兩個芯柱上，雙柱采用并聯或串聯結構，每柱容量為總容量的一半，變壓器整體漏磁分布易于控制，可以防止局部過熱的產生，同時大幅度降低短路發生力。目前在制的單相四柱式變壓器容量達700MVA，若有需求，容量還可以突破，這種優點是三相變壓器不具備的。圖1為單相三柱式變壓器外形圖，圖2為單相四柱式變壓器外形圖。

圖1 單相三柱式變壓器外形圖

圖2 單相四柱式變壓器外形圖

但是單相三柱式變壓器組的空載損耗和制造成本高于三相變壓器，單相四柱式變壓器組制造成本還要更高。而且變壓器高壓繞組中性點連接和三個低壓繞組的三角形連接需要在安裝現場完成，離相封閉母線成本較高，現場安裝和日常維護的工作量也較大。三臺變壓器間要設置防火墻，占地面積大，且GIS及封母布置也將占很大空間。

1.2 三相一體式

三相一體式變壓器也是常規結構，制造運行經驗豐富，可靠性高。外部連接結構簡單，布置占地面積少，制造成本低。但是受運輸條件和運輸費用的限制。容量1200MAV的三相一體式變壓器本體運輸重量達到480噸，運輸尺寸達11.4m×3.4m×5.6m（長×寬×高）。如此特大重量和體積的變壓器必須具備良好的運輸條件。

三相一體式變壓器跟單相雙柱式變壓器比，每相容量只能布置在一個心柱上，隨著單臺變壓器容量的增加漏磁也隨之迅速增大，漏磁分布是影響變壓器短路發生力和是否存在局部過熱的重要因素。即使沒有運輸條件限制，變壓器總容量也難以突破。目前有相關用戶咨詢1440MVA/500kV三相一體式變壓器的可行性，但是還沒有成功的制造和運行經驗，由于漏磁控制存在困難，風險不可控，存在局部過熱的風險。

在無運輸條件限制，容量不是特別巨大（超過1200MVA）時應優先采用三相一體式變壓器 ，圖3為三相一體（或現場組裝）變壓器外形圖。

圖3 三相一體（或現場組裝）變壓器外形圖

1.3 現場組裝式

現場組裝式是將變壓器的主要結構合理地分解為幾個運輸單元，控制每個運輸單元的運輸重量和尺寸以滿足正常鐵路或公路運輸。現場組裝變壓器分離鐵心后現場組裝鐵心，現場進行整體器身復裝，組裝完成后外形和三相一體式基本相同（見圖3），具備三相一體式變壓器外部連接結構簡單，布置占地面積少的優點。通過分解運輸能實現超大型變壓器的運輸，尤其對西北、西南等地區可以采用三相一體變壓器，降低變壓器運輸費用，減少了占地面積和工程土建投資。

現場需搭建一座臨時恒溫干燥的防塵工作間進行變壓器組裝，現場需要較大的操作空間。施工周期一般3～4個月/臺。同三相一體式相比，三相一體式可以采用桶式油箱，也可以采用鐘罩式油箱，現場組裝只能采用鐘罩式油箱，對超大容量變壓器來說如果屏蔽措施不當容易引起箱沿過熱。因為要考慮每個鐵心單元的結構強度，同等鐵心直徑的有效截面積要比三相一體式小，所以制造成本略高于三相一體變壓器。現場組裝式完成組裝后無法進行操作沖擊試驗和雷電沖擊試驗，有潛在的風險。

1.4 三相組合式

三相組合式變壓器由獨立密封運輸的三個單相變壓器和一個公共母線管道組成。每個單相變壓器引出低壓母線在公共母線管道內實現三角形連接，由三只大電流低壓套管離相封母引出；高壓中性點引出線通過連接管路，將三個中性點連接后，由一只中性點套管引出。三臺單相變壓器共用一套冷卻系統和儲油柜，油路聯通。三相組合式變壓器間不需設置防火墻，較單相變壓器組式占地面積小，每個單相變壓器結構型式與單相變壓器組相同，體積適中，運輸重量輕，便于運輸。三相組合式變壓器可以設置單相變壓器作為備用，但是這種備用是存在一定風險的，因為三相變壓器油路是相通的，一相變壓器故障難以保證其他兩相不被污染。

三相組合式變壓器較單相變壓器組式易于維護和檢修，但是現場安裝難度大。而且一但發生故障，現場的拆裝相當麻煩，耗時長。三相組合式變壓器的制造成本和單相變壓器組式相當。但是由于大電流引線通過公共母線管道引起附加損耗，負載損耗高于單相變壓器組。圖4 為三相組合式變壓器外形圖。

圖4 三相組合式變壓器外形圖

2 綜合分析

每一種結構的變壓器都有自己的特點，只要科學設計，精心制造都具有良好的性能和足夠的安全可靠性。而且也都有安全運行的案例。例如山東鄒縣電廠DFP—380000/500的單相組式變壓器,廣東惠來SFP—1140000/500三相一體式變壓器，溪洛渡水電站SSP—H—860000/500三相組合式變壓器，大崗山水電站SSP— 723000/500現場組裝式變壓器都已經掛網運行，安全無事故。

下面以與1000MW發電機組配套的三相總容量120MVA的500kV發電機主變壓器為例對各種結構型式變壓器的優缺點進行對比，見下表。

3 結束語

大型發電機變壓器結構型式的選擇應從電廠實際工程條件、運輸可行性、產品可靠性、設備占地面積、經濟效益等多方面因素綜合考慮，結合各種結構型式變壓器的特點進行科學選型。一般在無運輸條件限制，容量不是特別巨大（超過1200MVA）時應優先采用三相一體式變壓器。當運輸條件僅適用單相變壓器時，電站用地寬松優先采用單相變壓器組，電站用地緊張時采用三相組合式變壓器。如果運輸條件連單相變壓器也不能滿足，現場組裝式變壓器是最后的選擇。但是，事物不是一成不變的，隨著現場組裝式變壓器技術的日益完善、成熟，將來也很可能成為首選。

[1] 楊紅,溫風香.溪洛渡主變壓器型式選擇[J].東北水利電力,2011(11).

[2] 陳振杰.主變壓器選型式分析[J],電力與能源,2010(1).

表 各種結構型式變壓器對比表