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用啟動(dòng)/備用變壓器替代的高壓廠用工作變壓器計(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，廠用6 kVⅠA段計(jì)算負(fù)荷[2]為39 235 kW，廠用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，而3個(gè)單相變壓器3相磁路則完全對(duì)稱。三相一體式變壓器3相磁路不對(duì)稱，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，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)電廠距變壓器生產(chǎn)廠家較遠(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]?？蛰d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)線中渦流損耗、并聯(lián)導(dǎo)線間環(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)線的渦流損耗和導(dǎo)線間環(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)載損耗主要是線圈銅損，變壓器容量、電壓等參數(shù)確定后，其線圈電阻即確定，銅損隨負(fù)荷的變化而變化?？蛰d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、絕緣件(材)、分接開關(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)部及其周圍區(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)電廠母線短路電流及電網(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)電廠主變壓器短路阻抗增大除了可以限制本電廠高壓母線短路電流外，對(duì)系統(tǒng)其他點(diǎn)短路電流也有限制，限制程度還與電廠和系統(tǒng)電氣距離、系統(tǒng)容量等因素有關(guān)。發(fā)電廠高壓母線及系統(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，可使電廠高壓母線短路電流減少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)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 506620—2011[S].

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

[3]火力發(fā)電廠設(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)化專業(yè)運(yùn)行與管理工作(E-mail:sd005616@163.com)。