主變壓器布置及選型優化專題報告

摘 要：本文根據我國國內現有百萬級機組電廠的主變壓器選擇情況和國外百萬級機組電廠的主變壓器配套情況，及國內、外大型變壓器廠家生產能力和供貨業績，對變壓器的幾種形式的性能、價格、占地面積、運輸、檢修維護等做了比較，同時結合新疆華電哈密葉子泉煤電一體化電廠工程的具體情況，詳細分析論證了本工程主變壓器的選擇方案，做到技術經濟最優。

關鍵詞：變壓器；布置；選型優化；

中圖分類號：TV734 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-07-00-02

一、工程概述

本期工程擬建設2×1000MW超超臨界燃煤空冷發電機組，同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置，考慮再擴建條件。本工程的建設可以與國家電網公司跨區、跨省送電相結合，作為外送電源實現電力跨大區外送。

本項目可行性研究報告已于2011年6月經過預審查。審查意見對本工程廠址提出了不同意見。經答疑澄清和現場溝通，現階段本工程投標的依據仍然為西北院在可研報告中提出的廠址條件，即西北廠址。

二、國內外設備生產情況

從目前國內變壓器制造廠家來看，有能力提供針對百萬千瓦級發電機組的大容量、高電壓變壓器的制造廠家有特變電工沈陽變壓器有限責任公司（簡稱沈變）、保定天威保變電氣股份有限公司（簡稱保變）、西安西電變壓器有限責任公司（簡稱西變）等幾家。上述公司均有能力生產400MVA/750kV等級的單相變壓器，可滿足百萬千瓦級發電機組的主變壓器的要求。雖然這幾個廠家均表示完全有能力制造更大容量的，可以滿足百萬千瓦級發電機組的三相主變壓器，但只有沈變實際生產過1140MVA，750kV等級的三相一體變壓器：湖北電力公司荊門變電站，青海電力公司西寧變電站（屬國網特高壓項目）。

日本的大型變壓器生產廠商很多年前已開始提供百萬等級三相一體的大型變壓器，如日本東芝公司1973年開始生產并提供超過1060MVA的大型三相一體變壓器，1996年為Kashiwazaki提供了一臺1450MVA的三相一體變壓器，由于其生產基地在港口附近，可通過海運到瀕海工程目的地，至今已為日本國內提供了十八臺1060MVA及以上的大容量三相一體式變壓器。而日本三菱公司也在1975年就有提供1100MVA的大型三相一體變壓器的業績，最大一臺大型三相一體變壓器是2003年供給日本濱岡發電廠主變壓器，容量達到1510MVA，至今已為日本國內提供了十五臺1050MVA及以上的大容量三相一體式變壓器。另外根據了解日立公司也同樣具有同等容量三相一體式變壓器的生產能力。目前日本的百萬千瓦級電廠均是選用三相一體的大型變壓器，沒有選用三單相變壓器組的實例。

三、變壓器容量的選擇及型式

根據DL 5000-2000《火力發電廠設計規程》第13.1.5條：“容量為200MW及以上的發電機與主變壓器為單元連接時，該變壓器的容量可按發電機的最大連續容量扣除一臺廠用工作變壓器的計算負荷和變壓器繞組的平均溫升在標準環境溫度或冷卻水溫度下不超過65℃的條件進行選擇。”而根據國內三大動力制造商的制造能力來看，國內百萬千瓦級機組的最大連續容量約為1174.7 MVA（上海汽輪發電機有限公司）/1159 MVA（東方電機股份有限公司）/1176.7 MVA（哈爾濱電機廠有限責任公司），根據上述條件計算，并考慮扣除5%左右的廠用電，百萬千瓦級機組的主變壓器容量約需1140MVA。

上述大容量的變壓器，根據DL 5000-2000《火力發電廠設計規程》第13.1.3條：“與容量為600MW機組單元連接的主變壓器應綜合運輸和制造，經技術經濟比較可采用單相或三相變壓器。”而規范對于1000MW機組的主變壓器選擇沒有專門的規定，在實際工程中，我們可參照使用該條文。因此，對于百萬千瓦級發電機組的主變壓器可采用容量為3x380MVA左右的三單相變壓器組或容量為1140MVA左右的三相一體變壓器。

因此，1000MW機組配套國產1140MVA主變壓器是合適的。許多資料中也表明了這種觀點，因此對1000MW發電機組匹配變壓器的容量本專題不再詳細敘述了，即按照配1140MVA主變壓器考慮。

1000MW機組主變壓器主要有兩種型式：三相一體變壓器和三單相變壓器組。按照二十一世紀示范電廠的設計思路，在采用三單相變壓器組方案時，不設備用相。

根據DL 5000-2000《火力發電廠設計規程》第13.1.3條：“……當選用單相變壓器組時，應按所連接電力系統和設備的條件，確定是否需要裝設備用相。”當百萬千瓦級機組工程選用三單相變壓器組后，如果設有備用相，當一相故障后，可以用備用相代替故障相以縮短事故影響時間，提高供電可靠性。但在電廠正常運行期間備用相僅作為備件，除非三單相變壓器組的某一相變壓器發生故障時，才會使用，其利用率相當低。

隨著電網容量的不斷增大，系統備用率的不斷上升，一臺機組在電網中所占比重不斷下降，一臺機組的退出對系統的影響也越來越小。而單相變壓器的投資非常大，故可減少備用相的設置數量以降低工程投資。一般一個電廠的機組數量不大于2臺時，可不考慮設置備用相；若機組更多時，對同容量、變比與阻抗的單相變壓器組，一個電廠也僅需設置一臺備用相。本工程2臺機組時暫不考慮設置備用相，但4臺機組時可考慮設置1臺備用相。

對于1000MW機組應選用三相一體還是三單相的主變壓器，一般從以下幾方面加以考慮：首先是初投資方面的比較，包括設備費用的差別、布置上的差異、運輸條件的影響；還要考慮運行費用及可靠性方面的因素。本工程兩臺1000MW機組，分別按采用兩臺三相一體主變壓器方案和六臺單相主變壓器方案作比較。下面對兩種型式主變壓器的主要技術條件、價格、運輸和布置方式加以比較。

四、三相一體和三單相主變壓器的技術經濟比較

本工程兩臺1000MW機組，按主接線方案出線電壓為750kV。相應地，主變壓器的型號為：三相變壓器750kV，型號為SFP-1140000/750；單相變壓器750kV，型號為DFP-380000/750。下面是這兩種變壓器的主要技術參數和報價。

三相和單相主變壓器的主要技術條件和價格

由上表可見，六臺單相主變壓器方案和兩臺三相主變壓器方案從設備初始購買費（以沈變價格為基礎）：

六臺三單相變壓器價格 = 1300×6 =7800（萬元）

兩臺三相一體變壓器價格 = 2600×2 = 5200（萬元）

主變壓器單相方案為三相方案的7800/5200*100%=150%

單相變方案較三相變方案多7800-5200=2600（萬元）

五、主變壓器的運輸能力

主變壓器無論是三相一體還是單相的，都屬于超重、超限貨物運輸。變壓器在運輸時都必須是充氮運輸，需加裝充氮裝置。過大的加速度會造成變壓器內部結構的損壞。從運輸方式角度來說，根據變壓器的運輸重量、運輸尺寸、變壓器的型式及工程所在地的交通位置，可采用鐵路運輸、公路運輸兩種運輸方式。

由于眾多的鐵路、公路橋梁不可能按多年通過一次的重達數百噸的大型設備的荷載為標準進行設計，鐵路、公路的隧道/涵洞也不可能按多年通過一次的超高大型設備的高度為標準進行設計，因此鐵路、公路運輸受到鐵路橋梁通過能力和隧道/涵洞通過能力的限制。故鐵路、公路部門一般要求變壓器的運輸重量在200t左右，公路和鐵路的運輸限高均為5.5m。因此，采用單相變壓器運輸不成問題，而采用三相變壓器將受運輸重量和高度的限制，雖然采用水路運輸對于無論何種型式的變壓器，其運輸重量和運輸尺寸都不會受到限制，但考慮到此電廠的地理位置，基本無法采用水路運輸，故不推薦三相變壓器。

六、變壓器損耗比較

變壓器的空載損耗和短路損耗直接影響到變壓器運行時的有功功率損耗，而短路阻抗和空載電流的大小將直接影響到變壓器運行時的無功功率損耗。一般情況下，如果鐵芯、主磁柱截面、材質相同，三單相變壓器組與三相一體變壓器的銅耗因線圈基本上變化不大，所以基本相同；鐵耗因磁路和鐵芯結構不同變化較大，對于三相五柱式鐵芯，若其上下軛及邊柱截面分配合理，磁路連通，保證ABC三相磁通很好抵消，磁密均勻，則因其磁路較短，鐵耗較小，若其上下軛及邊柱截面分配不合理，甚至磁路不連通（有氣隙），因磁路中磁密不均勻，甚至發生畸變，含高次諧波，則鐵耗可能會大些。

七、結論

從變壓器的運輸條件及綜合經濟技術分析結果來看，三相主變壓器具有初投資少，占地面積小等優點，安裝維護較容易，年運行費用低，在技術上和初投資方面具有一定的優勢；從可靠性來講，三相主變壓器比單相主變壓器的可靠性要高，由于運輸條件的限制，單相主變壓器的訂貨和運行業績遠高于三相主變壓器，在可靠性上沒有可比性。但考慮到能夠生產本工程1140MVA三相一體主變壓器的供貨商只有沈陽變壓器廠有運行業績，在設計、生產制造和變壓器試驗等方面經驗較少，對變壓器的散熱，以及變壓器的抗短路能力具有不確定性，技術風險較大，主變壓器的結構型式暫按單相變壓器組考慮，為了確保萬無一失，建議招標方在變壓器招標時，要求變壓器供貨廠家提供對本工程變壓器在技術方面所采取的具體措施，以及具體的運輸組織方式和必要的安全措施情況，以供選擇。

考慮到本工程特殊的地理位置，對本工程主變壓器暫推薦采用三單相主變壓器。