户内110kV变压器的选择.doc

户内110kV变压器的选择邬伟民1，范德民2，王剑3 1.天水供电局，甘肃天水741000；2.济宁电业局，山东济宁272100；3.甘肃省电力设计院，甘肃兰州730050 摘要：本文就SF6气体绝缘变压器(GIT)和环氧浇注干式变压器(HJB)的技术性能、经济指标及其发展前景等相关问题作了剖析和比较，指出HJB应当是户内110kV变压器的首选，而且应当加速推广使用。 关键词：GIT；HJB；额定容量；抗短路强度；环境保护；运行维护 随着110kV的电力设备进到大型建筑群的内部，甚至进到户内，防燃防爆便成为对变压器运行安全的第一要求。GB5006019923110kV高压配电装置设计规范第5.4.4条规定：“在高层民用主体建筑中，设置在首层或地下层的变压器不宜选用油浸变压器，设置在其他层的变压器严禁选用油浸变压器。” 为了提高变压器的防火性能，人们尝试用各种不燃或难燃的液态介质代替变压器油，但终因性能、价格、油源、环保等原因而未能找到合适的替代品。JP3近几年有一种名为电缆变压器的瑞士ABB产品（dryformer）已投入实验运行，其绕组用交联聚乙烯电缆绕制而成。据有些专家预言该产品将有可能成为变压器家族中的新秀。但目前其价格高于油浸变压器45倍。已有100多年历史的浸渍式干式变压器，由于电压等级上不去，也很难在110kV电网中得到应用。因此，从经济技术统筹考虑，结合实际情况，至今只有二个选择是现实的：SF6气体变压器和环氧浇注变压器。按照国标GB64501986的定义，这二种变压器都属于干式变压器。 1二种变压器概况 1.1SF6气体绝缘变压器（GIT） SF6是一种惰性气体，绝缘、绝热性能居诸气体之冠。GIT的主要特点是用SF6气体代替变压器油。从20世纪60年代初国外就开始了这项尝试。目前在日本，GIT的电压已可达到500kV，单台容量可以达到300MVA，技术上已经相当成熟。我国目前没有GIT的制造厂，但在上世纪末，我国一些城市相继引进了日本生产的110kVGIT并投入使用，积累了一定的运行经验。 与油浸变压器相比，GIT的防火性优势是不言而喻的。但也有弱势：目前只能进口，价格较高；由于SF6气体本身的绝缘强度，传热能力比变压器油差得多，这使得在产品设计上不得不加大气体密度（压力），加大散热通道的有效横截面积，加大绝缘距离，加强冷却介质的流动量等。使结构、运行维护变得复杂，造成了GIT在经济技术上的劣势；SF6气体是京都国际议定书认定的温室气体之一，且其某些分解物有毒。厂方保证年泄漏率1%，即一台110kVGIT的日泄漏量为12L。在环境保护越来越受关注的今天，国际社会将如何限制SF6气体的使用尚不可知。 1.2环氧浇注变压器（HJB） HJB问世也已近40年，最早的产品出自于西德AEG和Simens公司。据统计，在欧美发达国家，HJB已占配电变压器市场份额的40%以上。但直到上世纪末，电压最高只达到了66kV。 国内生产HJB的厂家有百余家，生产历史最长的也近30年。在研制110kVHJB的过程中，针对电压升高、容量加大，采取了若干有效的技术措施，达到了较好的效果，并顺利通过了样机的型式试验。措施有：采用纯树脂浸渍式浇注、用无碱玻璃纤维增强、薄层绝缘技术根治开裂；采用圆筒式绕组，设置多层轴向散热气道，使每层导线两面散热，以降低热点温度；屏蔽高压绕组的气道等，降低局放。HJB单台单相容量最大也已作到了24MVA。但国内外至今只有一组31500/110的110kVHJB（由三台单相组成）问世，是由山东金曼克集团公司研发的。该产品样机1999年9月通过国家变压器质检中心的全面测试（含突发短路试验），同年11月通过两部技术鉴定，2000年11月在山东济宁龙桥变电站投入电网运行。2002年通过国家机械联和国家电力公司联合组织的运行鉴定。结论是：经试验和运行验证，该产品抗短路能力强、过载能力高、无污染、免维护、性能优良、结构合理，在世界上属于首例，其技术水平国际领先。建议加快系列产品开发，抓紧进行批量生产和推广使用。 尽管专家评价高，运行反映好，但110kV的HJB制造和运行经验不足，疑虑不少。本文拟就有关GIT和HJB的主要技术、经济问题作一剖析和比较。 2GIT与HJB的主要技术参数 二种干式变压器技术参数比较见表1。 表1二种干式变压器技术参数摘要表 序号型号SF6气体变压器（三相共体式）树脂浇注固体变压器（三单相组合式）树脂浇注固体变压器（三单相组合式）（日本东芝）GVB-BSG-50/110（三菱）SCZ9-50/1100（山东金曼克）SCZ9-31.5/110（山东金曼克)1例号12342额定容量/MVA63(强迫导向冷却GDAF下)20（自冷GNAN下）50（内外强冷GFAF下）37.5（内强外自冷GFAN下）25（全自冷下）63(强迫风冷下)以上50(自冷下)40(强迫风冷下)以上31.5(自冷下)3电压组合11081.25%/10.5双绕组11081.5%/11双绕组11041.5/10.5双绕组11041.5/10.5双绕组4绝缘水平/kVLI550AC230 / LI325AC140 / LI95AC38LI450AC200/LI250AC95/LI75AC3555绕组绝缘耐热等级及温升/KE级：75上层气体：67.3E级：75线圈:70铁心:90F级：100线圈：66.2铁心：76.8F级：100线圈：61.3铁心：76.166空载损耗/kW36.540+15%236443.4457负载损耗/kW231.7250+15%（63MVA、85下）170（50MVA、75下）146（50MVA、120下）1268空载电流/%0.210.450.470.250.229阻抗电压/%20.82(63MVA、85下)16(50MVA、75下)13-1815.2110阻抗偏差/%+10%+10%1.5%1.5%11辅机损耗/kW1811.24.83.612噪声/dB71.775746663.07（自冷时）13局部放电量/pC1.0Um下:1050(1.5Um下)1.5Um下:2314总质量/kg840007400033850033850015外形尺寸/mm(长宽高)74005000510056804545416053804340406016备注1现在北京慈云寺变电站运行现在深圳供电局运行现在济宁电业局大桥变电站运行注1：表中方括号内表示的是设计保证值，圆括号内表示的是前提条件。括号外的值是实际（测）值。 注2：表中的数据均为制造厂提供。 3主要经济技术参数和指标的分析与比较 3.1容量 变压器的允许负荷与冷却方式是直接相关的，然而在标注额定容量时，气体变压器（GIT）与固体变压器（HJB）不同。东芝GIT的额定容量是内部强迫导向循环，外加强迫风冷，即GDAF下的容量，为63MVA，而自冷容量不到1/3；而金曼克HJB的额定容量是完全自冷下的容量，为50MVA，启动通风冷却后，容量可增加30%以上。这在二者比较时应特别注意。 3.2温升 变压器的允许温升（与环境温度之差）受其绝缘的耐热等级制约。GIT是E级绝缘，允许温升75K。实测为67.3K，这是变压器箱壳内上层气体的温升。HJB是F级绝缘，允许温升100K。实测的结果是：绕组平均温升61.3K，铁心76.1K。很明显，GIT的绕组和铁心的实际温升比HJB的高，至少要高十几开，而其绝缘的耐热温升限额却低25K。还须指出GIT绕组用的主纵绝缘的固体材料是交联聚乙烯（XLPE）膜，它比通常的环氧材料容易热老化。所以，在同样的负荷率和环境温度下，如果没有意外事故，HJB绝缘的热寿命会比GIT长许多。 3.3绝缘水平 从技术参数对照表可以看到GIT的绝缘水平比HJB的要高。显然是绝缘裕度大。但这里有如下三点应说明。 3.3.1过电压保护 如今110kV配电装置必配氧化锌避雷器（MOA）。这时，避雷器的残压是绝缘配合的基础。国标GB110322000交流无间隙金属氧化物避雷器规定的可供110kV系统选用的MOA的雷电冲击电流残压最大为281kV，最小为235kV。很明显，即使选用雷电冲击残压最大的MOA，HJB的雷电耐受电压LI450和GIS的LI550的配合因数分别达1.6和1.96，都完全满足我国国标GB311.11997高压输变电设备的绝缘配合的“4.7.3配合因数Kc”中Kc1.4的要求的。 3.3.2绝缘老化 国标GB311.11997高压输变电设备的绝缘配合的“4绝缘配合基本原则”中规定：“考虑所采用的过电压保护措施后，决定设备上可能的作用电压，并根据设备的绝缘特性及可能影响绝缘特性的因素，从安全运行和技术经济合理性两方面确定设备的绝缘水平。”考虑到GIT中主纵绝缘中的XLPE的热老化性能相对（油纸）较差，要求GIT降低温升设计值和提高绝缘的冲击电压耐受水平是必要的。 3.3.3绝缘污染 HJB和GIT最明显的区别是有无密封的壳罩。HJB的心体完全裸露在环境大气中，防污染就需加强。这需要从设计上对环境的净化和通风给予更大重视。通风包括变压器室的通风和变压器内外表面的吹风。后者至少是应当定期进行的。吹风机兼作冷却器，一身两任。户内GIS也需室内通风，而且配置的容量因总损耗较大而稍大于HJB。 3.4冷却 GIT的冷却方式比较复杂。一台110kV、63MVA的变压器，配置了强迫内循环及导向，外部是强迫吹风，而且几乎需要常年运行，否则容量只能达到额定的30%左右。运行经验显示：GIT冷却系统的故障率较高，维护工作量大。而HJB只需要几台风机即可达到冷却效果。 3.5损耗 损耗是电力变压器最重要的经济技术指标，也是用户最关注的指标之一。由于铁心原材料在单耗和单价上均已有很大的选用范围，于是损耗主要是个在经济上一次初投资和终生总投资的优化问题。 上述二种变压器的损耗应有三项：空载损耗、负载损耗、辅机损耗。在其目前的价格水平下： 空载损耗：GIT低于HJB1824kW； 负载损耗：都换算到63MVA，85时，HJB比GIT低41kW以上； 辅机损耗：GIT比HJB大23倍。 三项损耗加起来，同样出力63MVA时，二者的设计保证值，例3的HJB比例1的GIT低10%以上，参见表1。 3.6电压组合和分接开关 由于目前只能选用真空触点的有载分接开关使得干式变压器的调压范围可能受到一些限制。如：MR的3VT500型，级电压1000V，13级，500/5000A。其调压范围为61.5%，短路电流5kA，对地绝缘水平是LI250AC80，尽管稍低于变压器高压中性点的绝缘水平，但安装在高压绕组的接地端，并配以MOA运行，是没有问题的。日本东芝和三菱都称用他们母厂的有载开关，调压范围可达81.25%。 如果采用停电调压，HJB连分接开关也不需要，只需调换分接头，而且分接头还可以增多。 3.7短路强度 变压器的短路强度问题是近10年来最受关注的安全问题。HJB在此方面较有优势。浇注良好且固化了的环氧绕组的抗拉抗弯强度比绕组在运行中可能经受的应力大十几倍。HJB的突发短路试验都是一次通过的，只有个别垫块移位，而绕组本身并无形变或位移。不仅35kV及以下的HJB久经考验，110kV的HJB样机也顺利通过了突发短路的冲击试验。关于GIT的耐短路冲击强度，厂方称：虽没有作过试验，但强度可以保证。然而气体变压器要作到与油浸变压器同样的动稳定水平就有些难度，作到HJB的动稳定水平就更难了。 3.8反映工艺质量的四个参数 3.8.1空载电流 空载电流的设计保证值是设计人员对材质和裁片、迭片工艺的最低要求的反映；实测值是材质和裁片、迭片工艺的实际质量的反映。影响空载电流最显著的因素是铁心的矽钢片的搭接缝隙。二者相比，HJB好些，受益于其多步级迭片工艺。 3.8.2阻抗电压偏差 阻抗电压偏差有两重内涵：一是实测值与设计值的偏差，主要反映设计计算的成熟程度；二是三个单相彼此间的偏差，是工艺质量控制的直接反映。三相六绕组，同心度、圆度、高低压绕组的高度，彼此间的间隙都会反映到阻抗电压的差别上来。表1中HJB明显优于GIT。 3.8.3局部放电 随着变压器技术的发展，局部放电测试主要是考核制作工艺是否精良（含制作环境）和有无意外缺陷。近20多年，变压器的局部放电量已由以前普遍的几千pC，降到了目前的100200pC及以下。 表1中变压器的局部放电量都很小，从实测数值看HJB的局部放电量是GIT的2.4倍，但HJB的试验电压是GIT的1.7倍。HJB高压绕组的散热气道设置了电屏蔽，已显著降低了局部放电量。 3.8.4噪声 噪声的主要来源是冷却系统。其大小既取决于选用的技术参数，也受制于各生产环节的工艺质量控制水平；既是个经济技术指标，又是个质量指标。表1中例1和例3的保证值分别为75dB和69dB。后者（HJB）赤裸心体，前者（GIT）有厚密（不低于6mm）的弹性金属罩遮蔽，不计这个因素，GIT的噪声能量（由电能转化为声能的功率）是HJB的23倍左右，由于有罩，这个倍数还会大一些。另外，测试点离设备轮廓线的距离，GIT是2m，HJB是1m，导致这个倍数还会更大些。HJB的噪声明显低于GIT。 3.9安装的两个要素质量和外形尺寸 3.9.1质量 同容量的双绕组110kV变压器相比，GIT比油浸变压器轻10%左右，而HJB（三个单相之和）比油浸变压器重20%25%。从运输考虑，HJB是三个单相的组合，每台单相的运输质量不到GIT的一半。运输障碍和费用可能稍少些。 3.9.2外形尺寸 设备的外形尺寸涉及到用地和建筑面积。GIT和HJB的安装平面尺寸都比油浸变压器大。GIT本体由于前面所述的原因就需略大于油浸变压器；而HJB是三个单相组成，虽三相之间无须防火隔离，但需巡检通道。占地也比油浸变压器大。如果用套管出线，GIT的安装高度与油浸变压器差别不大；如果用电缆出线，那就与HJB差不多。GIT的冷却系统复杂,在总的安装高度或平面尺寸上还需有所增加。实际上，GIS占地比HJB大10%20%。 3.10运行监测 众所周知，监测油浸式变压器并对油中气体进行色谱分析是检出其内部缺陷最有力的手段。干式变压器没有了油，谁来为变压器的安全运行保驾护航。对于GIT，这将是一个一时难以解决的问题；而HJB，由于其器身完全裸露，为检缺功能强大的红外热像检测提供了施展功能的条件。当然在设计安装场合必须预留从上、下、左、右、前、后六个方位的检测位置，定期进行带电检测或刚停电检测（当然这需要有一个规定），并有把握检出HJB的大多数热异常。而GIT则只能更多地仰仗制造厂的技术质量。 3.11参考价格 经询价：东芝报的容量为50/16MVA的110kVGIT的到站（离工地最近的火车站）价为60万美元，63/20MVA110kVGIT为70万美元。金曼克报的额定容量为50MVA