發(fā)電廠(chǎng)大容量升壓變壓器的選擇

巨爭(zhēng)號(hào)

(神華國(guó)神集團(tuán)公司技術(shù)研究院，西安 710065)

發(fā)電廠(chǎng)大容量升壓變壓器的選擇

巨爭(zhēng)號(hào)

(神華國(guó)神集團(tuán)公司技術(shù)研究院，西安 710065)

介紹了大容量升壓變壓器容量的選擇依據(jù)。在選用三相一體變壓器與3個(gè)單相變壓器上，分別從負(fù)序電流、運(yùn)行可靠性、運(yùn)行損耗、價(jià)格及運(yùn)輸方面進(jìn)行了分析。選擇變壓器短路阻抗時(shí)，既要考慮對(duì)短路電流的限制，也要考慮對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及變壓器電壓調(diào)整率的影響。

大容量升壓變壓器；容量；負(fù)序電流；可靠性；損耗；短路阻抗

0 引言

大容量升壓變壓器是發(fā)電廠(chǎng)主要電氣元件之一，其容量及結(jié)構(gòu)形式的選擇要考慮投資概算，而且由于其體積較大需考慮運(yùn)輸問(wèn)題，參數(shù)(如損耗、短路阻抗)的選擇既要考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也要考慮對(duì)電網(wǎng)短路水平及變壓器電壓調(diào)整率的影響。

1 大容量升壓變壓器容量的選擇

大容量發(fā)電機(jī)一般采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線(xiàn)方式，變壓器額定容量應(yīng)與發(fā)電機(jī)額定容量配套。一般宜按發(fā)電機(jī)最大連續(xù)容量扣除不能被高壓廠(chǎng)用啟動(dòng)/備用變壓器替代的高壓廠(chǎng)用工作變壓器計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行選擇，變壓器在正常使用條件下連續(xù)輸送額定容量時(shí)，繞組的平均溫升不應(yīng)超過(guò)65 K[1]，按上述計(jì)算廠(chǎng)用負(fù)荷后，選擇變壓器容量應(yīng)留有一定的裕度。裕度取值并不是越大越好，一般為10%左右，因?yàn)樽儔浩魅萘颗c變壓器的尺寸、消耗的有效材料質(zhì)量、損耗及成本有關(guān)，應(yīng)綜合考慮。如某額定功率為660 MW的發(fā)電機(jī)組，其視在功率為776 MV·A，廠(chǎng)用6 kVⅠA段計(jì)算負(fù)荷[2]為39 235 kW，廠(chǎng)用6 kVⅠB段計(jì)算負(fù)荷為37 773 kW,兩段備用重復(fù)計(jì)算負(fù)荷為13 199 kW,該機(jī)組總計(jì)算負(fù)荷為39 235+37 773-13 199=63 809 (kW)，如功率因數(shù)取0.85，則機(jī)組總計(jì)算負(fù)荷為75.07 MV·A，升壓變壓器容量可選擇為(776-75.07)+(776-75.07)×10%=771(MV·A)，按變壓器標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，變壓器額定容量實(shí)際選擇為750 MV·A(反算其裕度為6.7%)。

2 三相一體變壓器與3個(gè)單相變壓器的選擇

按DL 5000—2000《火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求，容量為300 MW及以下機(jī)組單元接線(xiàn)的主變壓器，若不受運(yùn)輸條件的限制，應(yīng)采用三相變壓器，容量為600 MW機(jī)組單元接線(xiàn)的主變壓器應(yīng)綜合運(yùn)輸和制造條件，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較可采用單相或三相變壓器[3]，具體分析如下。

2.1 負(fù)序電流問(wèn)題

三相一體變壓器無(wú)論是三相三柱式鐵芯結(jié)構(gòu)還是三相五柱式鐵芯結(jié)構(gòu)，3相磁路不完全對(duì)稱(chēng)，而3個(gè)單相變壓器3相磁路則完全對(duì)稱(chēng)。三相一體式變壓器3相磁路不對(duì)稱(chēng)，使得3相空載電流及負(fù)載電流數(shù)值有差別(相位基本無(wú)變化)，引起發(fā)電機(jī)側(cè)有一個(gè)不大的負(fù)序電流,該負(fù)序電流相對(duì)于同步轉(zhuǎn)速有100 Hz頻差，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上感應(yīng)100 Hz電流并引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱，如某660 MW機(jī)組在發(fā)電機(jī)帶有功功率為578 MW，無(wú)功功率為141 MV·A時(shí)，發(fā)電機(jī)電流IA=16 013 A，IB=16 380 A，IC=16 052 A，則負(fù)序電流I為[4]

(1)

式中：a=ej120，a2=ej240。

由計(jì)算可知，負(fù)序電流是復(fù)數(shù)，復(fù)數(shù)模值也就是負(fù)序電流有效值為116 A，遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的10%Ie(Ie為額定電流)，引起的轉(zhuǎn)子發(fā)熱為發(fā)電機(jī)所允許。3個(gè)單相變壓器磁路完全對(duì)稱(chēng)，無(wú)此問(wèn)題。

2.2 可靠性問(wèn)題

由于變壓器結(jié)構(gòu)的特殊性，任何變壓器故障后就地難以快速修復(fù)，需返廠(chǎng)修復(fù)，修復(fù)工期較長(zhǎng)。三相變壓器要考慮相間絕緣等問(wèn)題，結(jié)構(gòu)較單相變壓器復(fù)雜，故障率相對(duì)較高，其可靠性較單相變壓器略差；同時(shí)，任何一相發(fā)生故障，則整個(gè)變壓器必退出運(yùn)行。3個(gè)單相變壓器組中某相變壓器發(fā)生故障，只換故障相即可，只要配置1臺(tái)參數(shù)符合要求的備用單相變壓器(也可按區(qū)域配置1臺(tái))，當(dāng)故障時(shí)經(jīng)必要試驗(yàn)換上備用相變壓器，短時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)供電。如發(fā)電廠(chǎng)距變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家較遠(yuǎn)且運(yùn)輸條件不好或無(wú)維修大型三相變壓器能力的地區(qū)，應(yīng)盡可能優(yōu)先選用單相結(jié)構(gòu)的大型變壓器。

2.3 損耗問(wèn)題

變壓器的損耗主要由空載損耗和負(fù)載損耗等構(gòu)成[5]。空載損耗主要是鐵芯損耗，由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成。磁滯損耗與硅鋼片的質(zhì)量成正比，與磁通密度的平方成正比；渦流損耗與磁通密度的平方、硅鋼片厚度的平方、頻率的平方及硅鋼片的質(zhì)量成正比。不難看出，在磁通密度及硅鋼片厚度相同的情況下，硅鋼片質(zhì)量增加必將導(dǎo)致空載損耗增加。由于三相一體變壓器硅鋼片質(zhì)量小于3個(gè)單相變壓器，其空載損耗較3個(gè)單相變壓器小。

負(fù)載損耗包括繞組直流電阻損耗、導(dǎo)線(xiàn)中渦流損耗、并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)間環(huán)流損耗和結(jié)構(gòu)件(夾件、鋼壓板箱壁、鐵芯拉板等)的雜質(zhì)損耗等。在同容量下，三相一體變壓器與3個(gè)單相變壓器的直流電阻損耗相同，導(dǎo)線(xiàn)的渦流損耗和導(dǎo)線(xiàn)間環(huán)流損耗基本相同，3個(gè)單相變壓器結(jié)構(gòu)件雜質(zhì)損耗比三相一體變壓器大。表1為三相一體變壓器及3個(gè)單相變壓器損耗數(shù)據(jù)(統(tǒng)計(jì)平均值)。

表1 三相一體變壓器及3個(gè)單相變壓器損耗 kW

2.4 損耗投資

選用變壓器應(yīng)對(duì)損耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，即對(duì)損耗投資進(jìn)行評(píng)估。負(fù)載損耗主要是線(xiàn)圈銅損，變壓器容量、電壓等參數(shù)確定后，其線(xiàn)圈電阻即確定，銅損隨負(fù)荷的變化而變化。空載損耗與變壓器鐵芯參數(shù)及用量有關(guān)，也就是與制造成本有關(guān)；空載損耗還與鐵芯磁通密度有關(guān)，磁通密度越高損耗越大，但不能為降低變壓器成本將鐵芯磁通密度選得過(guò)大，特別是發(fā)電廠(chǎng)處于電源首端，變壓器運(yùn)行電壓比額定電壓高10%左右。變壓器殼體磁屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)變壓器損耗也有直接影響，效果良好的磁屏蔽結(jié)構(gòu)可減少變壓器損耗，但變壓器成本會(huì)增加。

將選用合理的磁通密度、良好的磁屏蔽結(jié)構(gòu)所減少的變壓器損耗值乘以變壓器使用的小時(shí)數(shù)，得到變壓器消耗的總功，按電價(jià)計(jì)算總功對(duì)應(yīng)的費(fèi)用，將其值與所增加的變壓器制造成本進(jìn)行比較后評(píng)估損耗投資。

2.5 變壓器的運(yùn)輸尺寸及價(jià)格

三相一體變壓器及3個(gè)單相變壓器運(yùn)輸尺寸及價(jià)格(統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù))見(jiàn)表2。

表2 三相一體變壓器及3個(gè)單相變壓器運(yùn)輸尺寸及價(jià)格

根據(jù)鐵路運(yùn)輸要求，變壓器的外形尺寸一般要求長(zhǎng)度小于7.0 m，寬度小于3.6 m，高度小于4.1 m，因此，無(wú)論是單相式還是三相一體式的600～660 MW發(fā)電機(jī)組配套用變壓器均不能用鐵路運(yùn)輸，而只能用公路或水路運(yùn)輸。

價(jià)格方面，導(dǎo)線(xiàn)、絕緣件(材)、分接開(kāi)關(guān)及其附件的品牌不會(huì)直接影響變壓器運(yùn)行參數(shù)，不同品牌會(huì)對(duì)變壓器總報(bào)價(jià)產(chǎn)生較小的影響，但由于3個(gè)單相變壓器本體用材高于三相一體式變壓器，其價(jià)格較三相一體式高800萬(wàn)元左右。

2.6 三相三柱式與三相五柱式變壓器的選擇

三相一體變壓器鐵芯疊片結(jié)構(gòu)有三相三柱鐵芯式與三相五柱鐵芯式。三相三柱式疊裝工藝簡(jiǎn)單，損耗小。三相五柱式在運(yùn)輸高度受限時(shí)往往被優(yōu)先采用，即在三相三柱式不能滿(mǎn)足公路運(yùn)輸高度要求而不得不降低鐵軛高度的情況下采用。三相五柱式鐵芯磁通分布與相量圖如圖1所示[5]。

圖1 三相五柱式鐵芯磁通分布與相量圖

不考慮漏磁通，假定磁通都在鐵芯內(nèi)并用等效正弦波分析，各鐵芯柱磁通可表示為

(2)

式中：ΦA(chǔ)，ΦB，ΦC為中心柱主磁通；Φ1，Φ4為邊柱磁通。

因?yàn)槭侨鄬?duì)稱(chēng)正弦波，三相磁通相量為ΦA(chǔ)+ΦB+ΦC=0，則Φ1=-Φ4，即2個(gè)邊柱磁通大小相等，方向相反。

3 短路阻抗的選擇

變壓器阻抗為變壓器帶負(fù)載運(yùn)行后，負(fù)載電流在變壓器一、二次繞組內(nèi)部及其周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生的漏磁通與一、二次繞組鉸鏈形成的漏電抗，對(duì)限制發(fā)電廠(chǎng)母線(xiàn)短路電流及電網(wǎng)側(cè)短路電流有作用，但會(huì)帶來(lái)變壓器電壓調(diào)整率增大、變壓器損耗增加等問(wèn)題。

3.1 短路阻抗對(duì)限制短路電流的影響

現(xiàn)代電網(wǎng)要求電網(wǎng)發(fā)生三相短路時(shí)其短路電流不超過(guò)50kA，新投電源點(diǎn)選擇主要電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮電網(wǎng)中、長(zhǎng)期規(guī)劃對(duì)上述短路電流的限制(機(jī)組增多，短路電流增加)。發(fā)電廠(chǎng)主變壓器短路阻抗增大除了可以限制本電廠(chǎng)高壓母線(xiàn)短路電流外，對(duì)系統(tǒng)其他點(diǎn)短路電流也有限制，限制程度還與電廠(chǎng)和系統(tǒng)電氣距離、系統(tǒng)容量等因素有關(guān)。發(fā)電廠(chǎng)高壓母線(xiàn)及系統(tǒng)短路電流限制數(shù)值，可由發(fā)電機(jī)、主變壓器及系統(tǒng)等效電抗精確計(jì)算得到[4]。如某600MW機(jī)組選用短路阻抗為20%的變壓器較選用短路阻抗為14%的變壓器，可使電廠(chǎng)高壓母線(xiàn)短路電流減少0.5kA左右。

3.2 短路阻抗對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響

短路阻抗增加相當(dāng)于增大了機(jī)組與系統(tǒng)間電氣距離，由于發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間的阻抗成反比，短路阻抗增加，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組靜態(tài)穩(wěn)定性降低。

3.3 短路阻抗對(duì)變壓器電壓調(diào)整率的影響

變壓器帶負(fù)載后，內(nèi)部漏抗產(chǎn)生電壓降，二次電壓U2與空載電壓U2N不相等，電壓調(diào)整率可以反映二次電壓變化程度，其值與變壓器短路阻抗的電阻分量、電抗分量及負(fù)載電流性質(zhì)有關(guān)，電壓調(diào)整率Δu可表示為[5]

(3)

式中：Δu為電壓調(diào)整率；UKR為短路阻抗電阻分量；UKX為短路阻抗電抗分量；cosφ為負(fù)載功率因數(shù)；U2N為二次空載電壓；U2為額定功率因數(shù)及額定負(fù)載電流下的二次負(fù)載電壓，從運(yùn)行角度考慮，希望其越小越好，這就要求短路阻抗不宜過(guò)大。

3.4 短路阻抗與變壓器損耗的關(guān)系

調(diào)整變壓器短路阻抗，通常通過(guò)調(diào)整變壓器鐵芯直徑和繞組參數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。提高變壓器短路阻抗，必然有較多的繞組漏磁通與高、低壓繞組鉸鏈，漏磁通的增加所帶來(lái)的突出問(wèn)題是繞組和結(jié)構(gòu)件內(nèi)的雜散損耗增加。某容量為750MV·A的變壓器，短路阻抗為14%及20%時(shí)，變壓器損耗值差為60kW左右，每年損耗電量30MW·h(年利用小時(shí)數(shù)按5 000計(jì)算)。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電廠(chǎng)大容量升壓變壓器容量選擇應(yīng)與發(fā)電機(jī)額定容量配套并考慮廠(chǎng)用計(jì)算負(fù)荷，同時(shí)還要留有裕度。在三相一體與3個(gè)單相變壓器組選擇上，提出了在運(yùn)輸條件許可時(shí)，綜合考慮損耗、可靠性及投資概算等，應(yīng)優(yōu)先選用三相一體式變壓器。變壓器短路阻抗選擇在滿(mǎn)足電網(wǎng)短路水平前提下，應(yīng)考慮其對(duì)變壓器損耗及運(yùn)行電壓調(diào)整率的影響。

[1]大中型火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 506620—2011[S].

[2]火力發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5153—2014[S].

[3]火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL 5000—2000[S].

[4]傅知蘭.電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與實(shí)用計(jì)算[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[5]謝毓城.電力變壓器手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-01-03；

2017-01-20

TM 423

B

1674-1951(2017)02-0035-03

巨爭(zhēng)號(hào)(1963—)，男，陜西扶風(fēng)人，高級(jí)工程師(教授級(jí))，從事電氣及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)運(yùn)行與管理工作(E-mail:sd005616@163.com)。