720MVA_500kV三相发电机变压器的开发设计_上_

720MVA/ 500kV 三相发电机变压器的开发 (上) 孙树波 ,高　炜 ,王寿民 ,钟俊涛 ,李文海 ,董振华 　　　(沈阳变压器有限责任公司 , 辽宁 沈阳 110025) 　　摘要 :介绍了 720MVA/ 500kV三相发电机变压器的选用参数、结构及为提高变压器可靠性而采用的关键技 术。 关键词 :大容量 ;超高压 ;发电机变压器 ;开发 ;设计 中图分类号 :TM4 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1001 - 8425 (2001) 04 - 0001 - 05 1 　产品研制的目的和背景 随着电力工业的发展 ,电力系统对大容量三相 发电机变压器的需求越来越大。尤其是近几年来国 内 600MW发电机组的发展非常快 ,所以对变压器厂 家来说 ,开发研制超高压大容量发电机变压器 ,对促 进电力工业的发展 ,提高自身的市场竞争力 ,具有重 要的现实意义。针对此情况 ,我公司研制了与其配 套使用的 720MVA 发电机变压器 ,该产品的研制也 为将来研制三峡工程使用的 840MVA 产品奠定了基 础。下面介绍一下我公司开发的 720MVA/ 500kV 三 相发电机变压器的一些情况。 2 　720MVA/ 500kV 三相发电机变压器开发样 机的技术 　　根据目前市场上与 600MW 机组配套的变压器 参数 ,确定了该产品的技术规范 ,其参数如下 : 型号 :SFP - 720 000/ 500 额定容量 :720 000kVA 电压组合 : (550 - 2 ×2. 5 %) / 20kV 短路阻抗 :14 % 空载电流 : < 0. 2 % 极性 :减极性 频率 :50Hz 使用条件 :户外 绝缘水平 : SI1175LI1550AC680 - LI325AC140/ LI140AC55 冷却方式 :ODAF 联结组标号 : YNd11 执行 : GB1094. 1 - 2 —1996 , GB1094. 3 —85 , GB1094. 5 —85 , GB311. 1 —1997 , GB/ T16927. 1 —1997 ,GB/ T16927. 2—1997EY 及 IEC有关标准。 3 　720MVA/ 500kV 三相发电机变压器技术性 能设计值 　　容量 :720 000kVA 电压组合 : (550 - 2 ×2. 5 %) / 20kV 短路阻抗 :14. 52 % 空载损耗 : P0 = 316kW 负载损耗 : Pk = 1 476kW 总损耗 : P = 1 792kW 空载电流 :0. 08 % 效率 :99. 75 % 重量 :器身重 　301t 油重 　81t 油箱重 　51t 拆卸件重 　40t 运输重 　357t 总重 　478t 4 　产品结构 4. 1 　铁心 铁心采用进口高导磁冷轧硅钢片 ,全斜接缝无 孔绑扎 ,铁心整体为三相五柱式 ,整体结构如图 1 所 示。其结构特点为 : (1)为有效防止局部过热 ,夹件采用不导磁材料 ; (2)夹件系统不形成回路 ,以降低漏磁在铁心夹 持框架内感应的涡流及损耗 ; (3)在下夹件放有通长磁屏蔽 ,使下部三相磁通自成 回路 ,有效地控制漏磁通的路径 ,从而降低杂散损耗。 4. 2 　绕组 高压绕组采用分区补偿的插入电容式结构 (见 图 2) ,低压绕组采用三螺旋形式。换位形式见图 3。 第 38 卷 　第 4 期 2001 年 4 月 　　　　　　　　　　　　 变压器 TRANSFORMER　　　　　　　　　　　　　 Vol. 38 April 　　 No. 4 2001 图 1 　铁心装配示意图 换位间隔通过计算后确定。 4. 3 　绝缘 采用我公司多年生产的 500kV 变压器成熟的绝 缘结构 ,绕组为整体套装。该结构特点为 : ①高低压 绕组上部用高强度压板压紧 ,低压绕组采用硬纸筒 作为骨架 ,具体结构见图 4。②导油结构高压绕组 为内进外出 ,低压绕组为外进内出 ;绝缘内部油流速 度被控制在一定范围内 ,以防止油流带电现象的产 生。 4. 4 　油箱 油箱为筒式油箱。油箱的所有加强铁采用钢板 压弯的槽形加强铁。油箱中部有两道 400mm × 700mm 的腰箍。具体结构及加强铁布置见图 5、图 6。油箱整体加强铁的布置为框架式结构 ,箱底、箱 壁与腰箍形成一个框架加强结构 ,大大地提高了油 箱的强度。 为避免漏磁通引起箱壁的局部过热及降低杂散 损耗 ,在箱壁、箱盖内侧加焊铜屏蔽。为保证箱盖铜 屏蔽的可靠连接 ,箱沿处的铜屏蔽连接采用了一种 特殊的连接方式。 4. 5 　引线 高压 500kV 出线为间接式出线结构。该结构简 明 ,安装方便。低压引线采用铜管与铜排连接的结 构。为保证引线有足够的机械强度 ,所有铜管与铜 排的电流密度均小于 2A/ mm2。 4. 6 　总装配 产品的总体外型如图 7 所示。 a.低压三相出线为共盒体结构 ,从而使低压三 相引起的外部漏磁通为零。 b. 器身采取六向刚性定位结构 ,可保证器身在 运输过程中不发生位移 ,并在产品上安装了冲击记 录仪冲击情况。 c.采用带报警接点的压力释放阀 ,并配有导油 管将油引到油箱下部。 d. 采用带集气装置的气体继电器 ,取气样方便。 e.在油箱中下部设有取油样的油样活门 ,并配 有事故放油及器身排油的放油阀。 f .储油柜采用最新型的胶囊式储油柜。该型储 油柜维护方便、不渗漏。 5 　720MVA/ 500kV 发电机变压器设计中的技 术关键 　　作为与大容量发电机配套的变压器 ,其发生故 障时波及面广 ,所造成的损失更是难以估量 ,因此必 须保证产品能够可靠地安全运行。而影响超大容量 变压器可靠性的问题主要有以下几个方面 : ①绝缘 2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　变压器 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 38 卷 图 2 　高压绕组型式示意图 图 3 　低压绕组型式示意图 图 4 　绝缘结构示意图 问题 ; ②局部过热问题 ; ③短路强度问题 ; ④油流分 布及温升问题。另外 ,由于该产品油箱超长、超宽 , 因而油箱强度也是比较突出的问题。针对这些问 题 ,为保证该变压器有足够的安全裕度 ,在设计过程 中我们采取了相应的措施。 3　第 4 期 　　　孙树波、高 　炜、王寿民、钟俊涛、李文海、董振华 :720MVA/ 500kV三相发电机变压器的开发设计 (上) 　　　　 图 5 　油箱加强铁布置正视图 图 6 　油箱加强铁布置侧视图 图 7 　变压器外部结构布置示意图 4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　变压器 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 38 卷 5. 1 　绝缘问题 变压器可靠性在很大程度上决定于变压器内 绝缘的可靠性。变压器绕组段间绝缘以考核各种冲 击波下的绝缘强度为主 ,而主绝缘一般以考核工频 电压下的绝缘强度为主。对于绝缘设计来说 ,有一 点必须保证 ,即在任何情况下都不允许存在危险的 局部放电。为了保证在设计阶段即能对各个关键部 位的电场分布有准确的把握 ,我们利用开发和引进 的多种电场和波过程的解析与仿真软件对变压器的 绝缘结构进行了冲击波分布及二维或三维电场的计 算机仿真 ,从而得出最佳的绝缘结构 ,并达到无局放 的设计目标。 图 8、图 9 为冲击入波时高压绕组和低压绕组 的电位分布曲线 ,从图中可以看出 ,高压绕组的电位 分布沿高度方向达到逐次下降的目的 ,避免了因振 荡引起局部电位升高的现象 ,低压绕组的电位分布 从中部到两端基本呈线性下降 ,中部的最高电位只 有入波电压的 10. 57 %。上述电位分布的绝缘裕度 可达到 1. 3 以上。图 10 为冲击入波的高压段间梯 度的计算值。从计算值可以看出 ,段间最大梯度为 7. 56 % ,段间的绝缘裕度可达到 1. 4 以上。 图 8 　高压绕组全波冲击感应电位分布 图 9 　低压绕组全波冲击感应电位分布 图 10 　高压绕组全波冲击段间梯度示意图 另外 ,为了降低局部放电 ,对容易出现电场集 中的部位 (如夹件腹板、肢板、油箱、法兰开口处) 的 电极形状都进行了处理。并且根据多年来我公司对 局放问题的研究和科研成果 ,合理地选择了引 线距离 ,对局放有影响的材料一律不用 ,从而保证产 品不出现局放问题。 5. 2 　变压器内的漏磁场解析及避免出现局部过热 的措施 　　变压器的漏磁场是指由一、二次绕组负载电流 的平衡磁势所产生的磁场。随着变压器容量的增 大 ,变压器内的漏磁问题明显突出。一方面 ,由于漏 磁通的增大 ,漏磁场在结构件中引起的杂散损耗明 显增大 ,造成效率降低 ;另一方面 ,由于漏磁集中 ,有 可能造成局部过热 ,影响变压器的可靠运行。因此 , 我们通过计算机仿真软件对变压器内的漏磁分布进 行准确的计算。根据计算结果 ,该产品铁心夹件全 部采用了不导磁钢板 ,并且在高、低压侧油箱内壁的 两个旁轭范围内铺设了铜屏蔽 ;铜屏蔽下部至箱底 , 上部至箱盖上铁轭。为了降低夹件的杂散损耗 ,在 下夹件处放置了一块通长的磁屏蔽 ,这一措施使下 部三相漏磁通自成回路 ,可以大大降低杂散损耗。 为了减小漏磁在铁心夹持框内产生的环流 ,所有横 梁、垫脚等夹件的连接均采用绝缘连接、一点接地的 结构。 表 1 为利用计算机计算的附加损耗的计算值。 表 1 　产品附加损耗的计算值 附加损耗/ kW 拉板 夹件 油　　箱 绕组 总计 6. 8 0. 1 16. 5 88. 5 270. 9 382. 8 　　随着容量的增大 ,变压器引线磁场问题变得越 来越突出。该产品低压引线电流为 20 785A ,相电流 为 12 000A ,引线周围的磁场强度相当高。为了减小 附加损耗 ,避免局部过热 ,低压出线采用一个大升高 座。低压升高座内除了套管出线及冷却管外 ,其余 部位均用铜屏蔽覆盖。 (待续) 5　第 4 期 　　　孙树波、高 　炜、王寿民、钟俊涛、李文海、董振华 :720MVA/ 500kV三相发电机变压器的开发设计 (上)