拉哇水電站主變壓器型式選擇

顧 楠

（三峽集團長江生態環保集團長江清源節能環保有限公司，湖北 武漢 430062）

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江水電基地川藏界河段，為金沙江上游水電13級開發中第8級。水庫正常蓄水位為2 702 m，大壩為面板堆石壩，最大壩高234 m。工程區左側為四川省巴塘縣拉哇鄉，右側為西藏自治區芒康縣竹巴籠鄉，上游為葉巴灘梯級電站，下游為巴塘梯級電站。電站裝機4臺，單機容量500 MW[1]，年平均發電量為83.64億kW·h，年利用小時為4 153 h。電站為“十三五”中央支持西藏經濟社會發展的重大項目，2019年1月核準，“十四五”期間投產發電。

2 基本參數

發電機額定容量為500 MW，額定功率因數為0.9，額定電壓18 kV，額定轉速125.0 r/min。

總容量為1 000 MW及以上、單機容量為200 MW及以上即可被認為大型電廠，根據拉哇水電站的裝機容量判斷，拉哇水電站屬于大型電廠，其接線特點為采用穩定的單元接線方式，該方式的優點是連接簡單，具有一定的可靠性，因此最終使用單元接線方式將發電機和變壓器進行組合，在發電機的出口段安裝斷路器設備；500 kV側采用3/2接線。

主變壓器額定容量為560 MVA，額定變比為550±2×2.5%/18 kV，連接組別為YN，d11。

3 主變壓器型式

拉哇水電站重大件運輸可選用水路公路聯運和鐵路公路聯運兩種方式。其中鐵路運輸要求設備運輸尺寸限制在鐵路二級超限范圍內，重量一般不超過200 t；公路運輸受沿線橋梁隧道的荷載標準限值，要求設備運輸重量不超過150 t[2]。

目前，國內外關于超高壓、容量高的主變壓器主要有：

（1）組合式三相變壓器：

（2）整體三相變壓器；

（3）現場組裝式三相變壓器；

（4）單相變壓器組。

上述的整體三相變壓器方案中，以各個廠家給拉哇水電站提供的各項主變壓器參數為基礎，一般的三相變壓器的充氮運輸總重已超過270 t，由于運輸重量超過鐵路運輸極限，不能滿足電站重大件運輸條件，只能采用水路和公路運輸。根據拉哇水電站重大件設備運輸方案的可行性研究報告分析，水路和公路聯運的方案由港口利用在電站附近設置的重大件碼頭上岸，經公路運輸抵達工地。如果要滿足運輸整體三相變壓器的需要，必須對碼頭、專用公路、涵洞及起吊設備等級作進一步提高，將增加投資達數億元。雖然三相變壓器在技術及運行管理上具有一定的優點，但因運輸困難、運輸費用過高，遠遠超過變壓器本體的費用，因此不考慮整體三相變壓器的方案。

根據各廠家為拉哇水電站提供的主變壓器參數，單相變壓器、組合式三相變壓器及現場組裝式三相變壓器充氮運輸重量分別約為123～137 t、124～137 t和63～70 t，可滿足電站運輸要求，因此拉哇水電站主變壓器僅考慮上述3種型式。

3.1 3種主變型式簡介

在單相變壓器組方案中，形成三相需要使用3臺普通變壓器，再借助IPB在外部三角形連接而成。組合式三相變壓器由3個相互獨立的單相油箱和1個公共的上節油箱組成，運輸時4個油箱單獨運輸，運到工地現場就位后，再完成外部油管路連接、內部接線、安裝套管等組件，形成一臺完整的三相變壓器。現場組裝三相變壓器在外形上看與普通三相變壓器相同，但其內部結構做成可拆卸的若干部件，運輸時各部件分別運輸，在現場再組裝成整體，現場需要設計一個單獨的組裝車間，配置相應組裝設備。

3.2 技術分析

（1）設計制造難度

對于拉哇水電站560 MVA這一容量的變壓器，3種變壓器均具有成熟的設計制造經驗，亦不存在設計制造難題。

（2）安裝

單相變壓器組現場就位后，僅需安裝套管、冷卻器及散熱器等附件，時間較短；如果把這些單相變壓器分隔開，會使得變壓器占用位置空間更多，更加不易于低壓側封閉母線的三角形連接。

組合式三相變壓器對工地現場的外部環境，如場地、安裝環境等方面無太多要求，使用3臺單相變壓器，將它們的油路連接就會組成一個綜合的油系統，其安裝難度較為低，時間也較短。同時，組合式三相變壓器的低壓側三角形連接在器身內部完成，使離相封閉母線布置相對簡單。

現場組裝三相變壓器的安裝最為復雜，時間最長，現場不僅要求安裝環境具有同工廠一樣管理水平的雙層防塵安裝場地，還要安裝油凈化、起吊、除濕、空氣干燥等各種設備，還要求具有同工廠一樣嚴格先進的裝配工藝和熟練的技術工人。現場組裝完成后，為確保與工廠裝配一樣的品質，還應完整地進行短路阻抗和負載損耗測量等試驗。同時現場組裝工期長，且受許多不確定因素制約，正常情況下，組裝一臺額定電壓500 kV，額定容量560 MVA的三相變壓器需要約50 d左右，比單相式以及組合式三相變壓器的安裝時間要長很多。但是這種組裝方式便于運維期的檢修，尤其是嚴重故障的處理。

（3）可靠性

單相變壓器組是3臺獨立的單相變壓器組合之后形成的，其油路并不是固定的，各變壓器低壓引線單獨與發電機離相封閉母線相連，在主變壓器外部形成低壓△連接，主變低壓側因采用離相封閉母線，發生三相或兩相短路的概率非常低且不會因任一相高壓套管的故障影響其它兩相，提高了電站運行的可靠性。

組合式三相變壓器具有共用油系統且在現場裝配形成，存在共用油系統部分滲漏的可能性；除此之外，該變壓器會在低壓側母線連接的箱體內生成三角形連接，使用3只套管將其引出之后連接到發電機出口離相封閉母線上，此時變壓器里的電路、油路保持通暢，導致相間連接地點上的兩相、三相短路概率提升，也可能會出現高壓套管故障延伸到其他兩相的情況。但近些年，隨著設計制作工藝、施工手段和安裝工藝的不斷改進，變壓器質量能夠得到保證。龍灘水電站[3]及瀑布溝水電站[4]的主變壓器運行至今，未發生相間短路或漏油等事故。組合式三相變壓器的不足之處在可靠性方面并不是很優異，但也能夠符合電站安全運行標準。

現場組裝三相變壓器相間連接處與組合式三相變壓器一樣存在相間連接地點上的兩相、三相短路概率提升的可能性，也可能會出現高壓套管故障延伸到其他兩相的情況；而且變壓器的現場組裝質量會直接影響到可靠性，但是現場組裝質量也有很多影響因素，例如工具、設備、現場環境、技術人員組織管理能力、設備本身的組裝、調試等等。

（4）布置

拉哇水電站為全地下廠房，按照電力設備典型消防規程要求及根據制造廠提供的主變資料，若采用單相變壓器組，主變室寬約10.8 m、高12 m，每臺機主變室長度31 m，主變運輸道寬6.5 m；整個布置較為擁擠，中性點設備只能布置在主變室上部的500 kV高壓電纜層。

若采用組合式三相變或現場組裝三相變，主變室寬約10.5 m、高12 m，每臺機主變室長度20 m，主變運輸道寬7 m；整個布置比較寬敞，中性點設備可以與主變同層布置。

可見，與單相變壓器組相比，組合式三相變或現場組裝三相變能顯著減小占地面積，從而降低了土建工程量，此外發電機出口離相封閉母線與變壓器的連接也較為簡單。

（5）備用相

對于備用相其中的單相變壓器組設置，電力行業標準《水力發電廠機電設計規范》指出： “采用單相變壓器組的水電廠，年利用小時數在4 000 h及以上，且設有4 組及以上相同容量的單相變壓器組可設置1臺備用相。”而關于現場組裝三相變和組合式三相變都沒有具體規范。

在工程執行過程中，針對500 kV單相變壓器，國內大型水電站如構皮灘（5臺套）[5]及烏弄龍（4臺套）[6]等均設置了備用相；對于組合式三相變，龍灘水電站（7臺套）和瀑布溝水電站（6臺套）組合式三相變壓器均未設置備用相，而溪洛渡水電站（左、右岸各9臺套）設置了備用相；對于現場組裝三相變，長河壩（4臺套）和大崗山（4臺套）均未設置備用相。

因此，對于拉哇水電站，若采用單相變壓器組需考慮設置備用相；若采用組合式三相變或現場組裝式三相變，可不考慮設置備用相。

（6）技術分析小結

綜上所述，從變壓器的設計制造來看，拉哇水電站采用單相變壓器組、組合式三相變壓器或現場組裝三相變壓器都是可行的，但從主變可靠性與主變現場安裝、運行、維護方面來考慮，單相變壓器組或組合式三相變壓器優于現場組裝三相變壓器。

3.3 經濟分析

（1）主變壓器投資分析

根據主變制造廠提供的資料，對于同一制造廠、同一電壓等級和容量，若單相變壓器組的價格為1，那么組合式變壓器的價格則在0.92～0.95之間，除此之外現場組裝變壓器的價格則在0.82～0.86之間。不同制造廠這三者的價格也有所不同，但都在上述范圍之內，差距較小。采用備用變壓器后三者的設備投資情況如表1所示。

表1 三種變壓器設備價格表

（2）土建工程費用分析

根據前面所述的3種變壓器的布置方案，拉哇水電站4臺套主變采用組合式三相變或現場組裝三相變時，其主變洞開挖長度比采用單相變壓器組要少20 m，對應的土建投資少640萬。3種主變對應的土建費用分析見表2。

（3）附加機電設備投資費用分析

附加機電設備投資費用主要是指發電機離相封閉母線投資費用，主變水噴霧系統等因投資額較少不參與比較。根據前面所述的變壓器布置方案，采用單相變壓器組時，其發電機離相封閉母線每臺機總長度比采用組合式三相變或現場組裝三相變要長約65 m。3種主變對應的離相封閉母線投資費用見表2。

表2 3種變壓器土建投資及附加設備投資比較表

（4）經濟分析小結

3種方案中，單相變壓器組方案總投資最大，僅土建及離相封閉母線投資就比其余兩種方案多了1 030萬；組合式三相變壓器及現場組裝變壓器方案總投資相差不大，與單相變壓器組方案相比，經濟優勢明顯。

3.4 推薦方案

綜上所述，3種變壓器方案設計、制造、運行經驗均比較成熟，可靠性高，運輸重量滿足電站運輸要求，但單相變壓器組方案布置場地較大且擁擠、總投資最大，因此不推薦；現場組裝三相變總投資比組合式三相變略少，但現場安裝受到諸多因素制約且安裝工期存在諸多不確定性，所以也不便于使用；綜合以上內容最終選擇使用組合式三相變壓器作為拉哇水電站的主變壓器。

4 變壓器冷卻方式

相較于同類型水電站，如白鶴灘水電站、錦屏二級水電站等，地下廠房中主變壓器如采用通風冷卻將無法滿足散熱要求，所以最終都采用了水冷卻方式。由于拉哇水電站為地下廠房電站，主變壓器布置在地下洞室內，為了簡化通風散熱設計，減少噪音，同時考慮到水電站取水方便，河水水質較好等因素，參考同類型電站，本電站主變壓器冷卻方式推薦采用水冷卻。

5 結論

三相變壓器的維護工作較為簡單，但是因為運輸條件的影響不能使用；綜合比較上述3種形式的變壓器的優缺點，最終選擇使用組合式三相變壓器方案，冷卻方式采用技術成熟的水冷卻方案。本文對主變選型及冷卻方式等進行了分析和對比，提出了推薦方案并得到采納，對類似條件的水電站主變壓器選型有實際借鑒意義。