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智能化节能型干式变压器特点及选型应用
     摘要: SC(B)10新系列干式变压器具有的低耗节能、智能终端、降噪环保、超低温升、强负载能力、高可靠性等性能特点,对温度控制、出线接口、联结组别、TTU等选型要素进行了分析总结。

关键词:干式变压器 性能 选型 节能 智能

  二十世纪下半叶,干式变压器在世界范围内得到迅速的发展。近几年来,随着我国现代化建设的发展,城乡电网负荷不断增加,干式变压器在我国得以广泛的应用,每年以高达20%以上的增长率迅猛增加,2001年产量约达20,000MVA,成为世界上干变产销量最大的国家之一。随着城乡电网建设和改造、西部大开发的步伐加快,特别是北京申办2008年奥运会的成功,使干式变压器面临着新的发展机遇,其产量必将有新的飞跃。

  顺特电气于1989年从德国M&C公司引进环氧树脂真空浇注干式变压器制造技术,并以此为起点,不断开拓、创新,使干变制造水平上了新的台阶。从引进技术的SC系列、96年开拓出性能参数优越的SC(B)8系列、到98年提升技术水平的SC(B)9系列推向市场,到2000年崭新一代节能型智能化的SC(B)10系列问世,短短十一、二年时间,其干变产销量及其性能参数已跻身于世界前列(顺特电气2001年产销量已超4,000 MVA)。

  人们注意到一个不争的事实:世界各国(特别是名牌)的高低压电气设备纷纷涌入中国之时,唯独外国干式变压器未在中国形成气候。究其原因,难道不是因为中国自己有其性能良好、质量可靠的干式变压器吗?

  今撰此文,简要介绍SC(B)9及SC(B)10系列干式变压器的特点及其选型中的相关问题。

1 损耗与噪声

  干式变压器的开拓、创新,主要集中在节能、环保、性能参数的优化等方面。特别是在变压器的损耗及声级水平这些世界性课题的研究上,我国已经取得诸多可喜的成绩。

  1.1 损耗

  变压器的损耗包括空载损耗、负载损耗以及附加杂散损耗等。

  空载损耗是指变压器二次侧开路、一次侧加额定频率与额定正弦波电压时变压器所吸取的功率。国际上很看重空载损耗P0值的下降,因变压器一旦投运,一年365天、一天24小时,时时刻刻都有损耗。而P0是一个不随负载变化的损耗值,P0值每降低1kW,一年就可节省8760kWh(度)电费。在工程招标(特别是国际招标)中,看重性能价格比,对Po约合5000~6000美元/kW,Pk约合1000~2000美元/kW。

   负载损耗PK是指额定电流下、对应某参考温度而言的负载损耗。它是衡量产品损耗水平的一个参数,可用于考核该产品是否合格,但必须注意到损耗有计算值、标准值、保证值、实测值以及实际运行值之不同:每台变压器运行中的实际损耗并不等于标定的额定负载损耗PK。这是因为,运行中负载电流是变量,温度也是在变化的。空载损耗与温度基本无关,而负载损耗是温度的函数。干式变压器F级绝缘材料参考温度为120℃,H级为145℃。目前生产厂在样本资料所提供的PK值多采用参考温度为75℃,这或许是由油浸变压器(A级绝缘)所带来的习惯,便于两者损耗值的比较吧。提请注意的是顺特电气在其《干式变压器例行试验报告》中所提供的PK值,是按120℃的参考温度(F级绝缘)给出的,自然要比75℃时的PK值高,二者换算关系为:

  PKt2= ×PKt1

  式中t1、t2为换算前后之温度值,PKt1、PKt2为该温度对应之负载损失值。

  若由PK(75℃)换算至PK(120℃),PK(120℃)=1.145PK(75℃)






  这里,要特别提及损耗偏差值的问题。任何产品生产出来后,其出厂例行试验实测值,与标准中规定的标准值或与合同书中规定的标准值或保证值对比,通常都会有偏差。对此,国家标准GB 1094.1中明确规定:空载损耗P0允许偏差值为+15%,负载损耗Pk允许偏差值也为+15%,而总损耗Pz(=P0+Pk)允许偏差值则为+10%。若其实际测试值在标准值加允许偏差(或称保证值)之内,即视为产品合格;若其实测值超过标准值加允许偏差值,则视为产品不合格,客户有理由拒绝收货,或按合同书规定予以处罚。

   为了降低损耗,顺特电气博采众长、融汇多年的设计制造经验,采取了一系列措施:选购优质低耗的晶粒取向冷轧硅钢片,先进的硅钢片剪切线 ,阶梯步进铁心接缝,合理的铁心、线圈结构,不迭上轭等先进工艺,计算机优化设计等等,使得我厂新系列产品损耗值,达到世界先进水平。 SC(B)10系列比现行国标(GB/T10228)空载损耗P0下降33%,负载损耗平均下降15%,总损耗平均下降约19%。

   然而,值得注意的是,在原材料相同的情况下,苛求更低的损耗值是不尽合理的。此时,空载损耗的降低将导致用铁(硅钢片)量增加,负载损耗的降低将导致用铜量增加。收益与付出是需要精心权衡比较的。

  1.2 声级水平

   声级水平是指额定电压及额定频率下,变压器铁心处于激磁条件时,在规定的轮廓线上测得的声压级水平(A)加权平均值。变压器的声压级水平,其根源是由铁心激磁时产生磁致伸缩所引起。国家标准中规定的声级水平dB(A)值,是指A加权声压级水平在空载时的值。

  负载下噪声值与负载电流大小有关,超铭牌容量运行时,噪声要增高,然而二者关系并未有定量的确切数据。在过激磁运行时,声级明显增高,这往往是很多客户反映夜间变压器噪声增大的主要原因。目前,由于电网容量增大,区域变电站已深入负荷中心,供电半径减少,致使10KV侧的供电电压升高。若有这种情况,可建议客户根据供电部门提供的确切资料,洽商将额定电压设定成10.5KV。并根据实际运行的记录数据,分析确定一个合适的电压分接头位置,并适时对分接头进行调整,这样就可把噪声降低到最低,控制好噪声扰民的情况。

   SC(B)10系列配电变压器已将其噪声比现行国标(JB/T 10088--1999 6~220KV级变压器声级)降低达10~20dB(A)。新系列2500KVA及以下容量的配电变压器,噪声一般可控制在50dB(A)以内(请见图3.声级水平比较)。35KV特大容量如16000KVA电力变压器通常可控制在60dB(A)左右。SC(B)10新系列降噪环保的优良特性受到设计单位及广大客户的欢迎。

 

   综上所述,新的10系列干变的节能降噪主要技术性能参数已达到世界先进水平。

2 额定容量及负载能力

  通常我们标称的变压器容量,即是指额定容量,也是铭牌上标注的容量。它是由在分接开关位于主分接时,由额定空载电压与额定电流之乘积所决定的。这一容量是在正常使用时,变压器能连续输出的最大容量,某变压器的实际输出容量,则由其负载时的电压和电流所决定。自然空气冷却(AN)时,正常使用条件下,变压器可连续输出100%的额定容量。

  干式变压器具有较强的超铭牌运行能力。在应急情况下,变压器的实际负载能力可超过额定容量。SC(B)10系列产品,当环境温度20℃时,可长期过载1.16倍。若需过载1.5倍,其过载时间必须限定在30~60分钟以内(参见图4);或投入风机,使变压器在强迫风冷状态下运行,可持续1.5倍过载运行。

  顺特电气的10系列新产品,平均温升比国标(F级绝缘100K)下降17K。这就带来两大好处:其一,按照干式变压器寿命10℃法则,在额定负载下,使得10系列变压器的使用寿命成倍增加;其二,在变压器额定寿命期内,有更强的过负载能力、更高的可靠性。

  工程实践中,设计院工程师常提出这样的问题――干式变压器风冷时能否在1.5倍Se(额定容量)下长期运行? ①干式变压器在风冷状态下,可以在1.5Se下长期运行----但此时必须严密监视变压器的运行温度,绝不能使其超过额定温度!②此种运行状态是不经济、不合理的。由于负载损耗与电流平方成正比,使其损耗大而效率降低;③阻抗电压大,且风机寿命不长; ④变压器能否实际运行在1.5Se情况下,还决定于变压器高低压进出口总开关及母线(排)的配置。通常,设计院是按变压器的额定容量Se来选配高低压开关、母线等输入输出设备元件的,此时若出现强过载,这些元件将无法承接而跳闸。当需要利用干变的过负载能力时,上述元件的选配就必须与其过负载能力相匹配。综上所述,对这一问题的回答是:强迫空气冷却(AF)时,正常使用条件下,变压器容量可提高50%,适用于各种应急过负荷或断续过负荷运行;由于负载损耗和阻抗电压增幅较大,风机寿命不长,故不推荐强迫风冷长时间连续过负荷运行;此时,必须严密监测变压器的运行温度,绝不允许超过其额定温度!

  在工程实践中,如何充分利用干式变压器的超铭牌运行能力呢?笔者曾在有关论文中提出过两点参考意见(①可以在计算、选配容量时,根据负载性质及重载时间段,适当减小变压器容量;②可减少备用容量或备用台数),得到设计和使用单位的赞同和应用。我们期望充分而合理的利用其超铭牌运行能力,节省建设资金。

3 温度控制系统

  SC(B)10系列干变配备有完整的温度保护控制系统,为其安全运行提供可靠保障,参见图5。

  3.1 温度显示系统

  通过预埋在低压绕组热点处的Pt100热敏铂电阻测取温度变化值,直接显示各相绕组温度,还可将最高温度以4~20mA模拟量输出;若需传输至远方计算机,可加配计算机接口RS485/RS232C.

  3.2 风机自动控制

  在低压绕组热点处预埋有Pt100热敏电阻测取温度信号。变压器负荷增大,运行温度上升,当绕组温度达某一数值(此值可调,对10系列可整定为90℃),系统自动启动风机冷却;当绕组温度降低至某一数值(此值也可调,10系列可整定为80℃),系统自动停止风机,实现了由变压器的运行温度自动控制风机冷却系统。即使是正常运行的变压器,适时手动投入强迫风机冷却系统,也是很有益处的,它既能降低变压器温升,又可延长其使用寿命。因此,建议客户签订购货合同时,应选配风机冷却系统。

  对于干式变压器是否选配风机,如何利用风机,有着不同的看法和意见:有人认为,在自然空气冷却的情况下,干式变压器能够保证达到额定容量,且可以长期运行,因此,可以不选配风机;有的单位配置了风机后很少让风机启动,只是在变压器绕组温度超过其整定值时,其风机冷却系统才自动投入使用……。----这些意见和看法是不全面的。变压器在实际运行中,情况是异常复杂的,它有可能出现超铭牌容量运行、甚至发生突然短路,若此时能及时投入风机强迫冷却

  3.3 超温报警、跳闸

  通过预埋在低压绕组中的PTC非线性热敏电阻采集绕组或铁心温度信号。当变压器绕组运行中温度升高,若达到某一高温值(10系列整定在140℃---此值也可根据需要调整),系统输出超温报警信号;若温度继续上升达某一高温值(10系列整定在150℃---此值也可按要求调整),变压器已不能继续运行,即向二次保护输送超温跳闸(无源开关量)信号,使变压器电源开关迅即跳闸。该系统的超温报警和超温跳闸也可由Pt100热敏传感信号按上述超温值整定而动作(双重信号保护),进一步提高温控保护系统的可靠性。

4 配电变压器的联结组别

  国标GB50052-95《供配电系统设计规范》第六章低压配电中第6.0.7条明确阐述:“在TN及TT系统接地型式的低压电网中,宜选用Dyn11结线组别的三相变压器作为配电变压器。”

  为什么配电变压器宜选用Dyn11联结呢?

  首先,有利于抑制高次谐波电流:对Yyn0结线的三相变压器,原边星形连接而无中线,故三次谐波电流不能流通。原边激磁电流波形为正弦波时,则铁芯中磁通为平顶波,副边感应电势波形所含高次谐波分量大;激磁电流中以三次谐波为主的高次谐波电流在原边接成三角形条件下,可在原边形成环流,与原边接成星形相比,有利于抑制高次谐波电流。在当前电网中接用电力电子元件、气体放电灯等日益广泛、其功率越来越大的情况下,会使得电流波形畸变。即使三相负荷平衡,中性线中也流过以3次谐波为主的高次谐波电流。配电变压器的原边(常为10KV侧)采用三角形结线就抑制了此类高次谐波电流,这样就能保证供电波形的质量。

  第二,有利于单相接地短路故障的切除:原边(高压)接成三角形(D接),绕组内可通过零序循环电流(感应产生),因而可与低压绕组零序电流互相平衡、去磁,因此,副边(低压侧)零序阻抗很小;若原边(高压侧)星接(Y接),绕组不能流过零序电流,低压侧激磁时,其零序电流在变压器铁芯中产生零序磁通,但其磁路不能在铁芯内形成闭合,要走铁芯外面的空气,其磁阻很大,变压器的零序阻抗较大。若发生单相短路,其短路电流值就会相对地减小,致使在很多情况下,其单相接地短路电流几乎不能使低压断路器快速动作或使熔断器迅速熔断。通常,在相同的条件下,Dyn11结线的变压器配电系统的单相短路电流为Yyn0结线时的3倍以上。因此,Dyn11结线有利于单相接地短路故障的切除。

  第三,能充分利用变压器的设备能力:对于配电变压器,照明、空调、电炊、电热等餐厨家电220伏单相负荷往往占很大比重。尽管在工程设计及安装时,尽可能将各个单相负荷均匀分布在三相上,而由于运行时的情况千变万化,有时可能出现三相严重不平衡现象。三相负荷不平衡或每相功率因数相差较大、变压器处于不对称运行状态,副边中性线就有电流通过。上述《规范》中第6.0.8条明确规定:“在TN和TT系统接地型式的低压电网中,当选用Yyn0结线组别的三相变压器时,其由单相不平衡负荷引起的中性线电流不得超过低压绕组额定电流的25%,且其一相的电流在满载时不得超过额定电流值。”这一规定十分明确地限制了Yyn0结线时接用单相负荷的容量,从而限制了Yyn0结线配电变压器的使用――此时,变压器设备能力不能充分利用。

  而Dyn11结线方式的变压器,对中性线电流没有限制,可达变压器低压侧之线(相)电流,从而能充分利用变压器的容量、发挥其设备能力,尤其适宜以单相负荷为主而出现三相不平衡的配电变压器。
因此,新系列配电变压器应优先选用Dyn11联结组别.

5 干式变压器安装及接口

  顺特电气竭诚为客户服务,生产市场需求型、满足客户不同要求的城网电气产品。由中国纺织工业设计院主编、顺德特种变压器厂协编的国家建筑标准设计图集《99D268干式变压器安装》,向电气设计工程师提供了适用于各种场所的干式变压器布置、安装方式。干式变压器因没有油,也就没有火灾、爆炸、污染等问题,故GB 50053—94<<10KV及以下变电所设计规范>>中第4.1.3条明确指出:“不带可燃性油的高、低压配电装置和非油浸的电力变压器,可设置在同一房间内。”“具有符合IP3X 防护等级外壳的不带可燃性油的高、低压配电装置和非油浸的电力变压器,当环境允许时,可相互靠近布置在车间内。”特别是新系列干式变压器,其损耗和噪声降到了新的水平,更为变压器与低压配电屏置于同一配电室内创造了条件。为此,顺特电气早于1995年在推出SC(B)8系列干式变压器时,在其<<技术手册>>上首先向客户推出了封闭母线、标准横排侧出线及标准立排侧出线等多种低压出线方式;1998年出版的《SC(B)9系列干式变压器技术手册》中,使上述低压出线方式得到肯定和一步完善,受到客户、设计单位的欢迎和普遍选用。提请注意:(1) SC(B)10系列干式变压器的结构尺寸较SC(B)9系列有所调整,选用《99D268干式变压器安装》国标图集中相关配合接口时,有关尺寸应予以相应变更。(2) 干式变压器现场安装就位后,即卸去小车轮,其相关尺寸应注意对应的是去轮后的情况。

  5.1 低压标准封闭母线出线

  工程配线若选用封闭母线(也称插接式母线或密集型母线槽),我厂之变压器可提供低压标准出线端子,现场安装时即可与封闭母线方便的联接。

  带IP20外壳的变压器,在外壳顶部配套提供封闭母线法兰;不带外壳(IP00)的变压器,只提供封闭母排出线端子。其接口配合图请见《99D268干式变压器安装》国标图集第19、38页。

  5.2 低压标准横排侧出线

  变压器与低压配电屏并列放置时, 二者母排可贯通连接。由于配电屏的型式不同, 其接口配合也不相同。低压配电屏母排为横向排列时(如GGD、GCK、MNS配电屏), 变压器低压出线母排相应以标准横排侧出线配套。配电屏在变压器左侧,变压器就向左侧方向出线;若配电屏在变压器右侧,变压器则向右侧方向出线。为此,要求变压器外壳的高度与其低压配电屏相同(常为2200),其接口配合图请见《99D268干式变压器安装》国标图集第20、39页。

  由于各开关厂低压配电屏的结构型式不相同,其接口配合尺寸有差异,故在具体工程中一定要做好接口的协调配合工作。订货时,请客户把低压配电屏母排结构型式及其接口配合尺寸,及时提供;或与低压配电屏厂、变压器厂三方将其接口配合尺寸洽商好,并签署纪要,生产厂据此制造好各自产品,做好接口配合,满足客户需求。

  5.3 低压标准立排侧出线

  低压配电屏母排为竖向排列时(如多米诺屏、MNS等配电屏), 变压器低压出线母排相应以标准立排侧出线配套。配电屏在变压器左侧,变压器就向左侧方向出线;若配电屏在变压器右侧,变压器则向右侧方向出线。为此,要求变压器外壳的高度与其低压配电屏相同(常为2200),其接口配合图请见《99D268干式变压器安装》国标图集第21、40页。

6 智能终端 TTU

  变压器在电力系统中具有电压转换和电能传输的功能,是电网中的主要设备。随着我国现代化步伐加快,要求对配电网上的各种设备进行自动监测、协调和控制,以实现配电网的集中监视、优化运行,达到提高供电可靠性、提高供电质量、降低供电成本的目的。配电变压器智能终端TTU就是一种对其进行实时数据采集与控制的自动化终端设备,它可以记录并储存变压器低压侧的电流、电压、有功功率等参数,还可以通过通信网络,与配网SCADA系统交换数据,实现主站对变压器的遥测、遥信、遥控功能,实现变压器的经济、安全、可靠运行。它具有数据处理、状态控制、状态显示的所有功能:

  数据处理:三相有功、三相无功、功率因数、电流、电压、温度、日均负荷、周均负荷、月均负荷、季均负荷、年均负荷、典型日负荷曲线、变压器的使用寿命计算等;

  状态控制:在配有温控装置、有载调压装置、无功补偿装置后,可具有多种智能控制及报警功能等;

  状态显示:实时数据、历史数据、变压器已用寿命和可用寿命等等。

  智能化节能型新系列干式变压器的突出特点,还表现在可按多种模式运行:①单一“变压器”运行方式,可实现基本变压器功能;②“变压器+传感器装置” 二组合运行方式,可为传统继电保护装置提供电气控制信号;③“变压器+传感器装置+TTU” 三组合运行方式,可实现遥测和遥信功能,为配网SCADA系统提供变压器的各种数据;④“变压器+传感器装置 + TTU + 后台监控管理系统” 四组合运行方式,可具有遥测、遥信、遥控功能,实现对变压器运行状态的实时监控和经济运行。客户可按工程实际情况,选择功能模块的组合。这样一来,SC(B)10系列干变就不单纯具有传统单一的电压转换和电能传输的功能,而变成为一种多功能智能化的电气设备。顺特电气可按合同书要求生产出客户需求的、个性化的干式变压器。

7 未来发展

  随着干式变压器的大量推广应用、不断开拓创新,我国设计制造技术已达世界一流水平,未来的干式变压器预计将获得进一步发展:

  (1)节能低噪:低损耗硅钢片,阶梯步迭铁心接缝,箔式绕组结构,噪声研究的深入,环境保护要求,计算机优化设计等新材料、 新工艺、新技术的引入及其发展,将使未来的干式变压器更加节能、更加宁静。然而,对于单纯靠材料的投入来降低铁损或铜损,我们认为是不可取的。

  (2)高可靠性:电气产品,尤其是变压器,其运行可靠性是特别重要的。在电磁场理论及其计算、波过程、浇注工艺、热点温升、局放机理、质保体系、可靠性工程等方面进行大量的基础研究,积极进行可靠性认证,进一步提高干式变压器的可靠性,将是人们的不懈追求。

  (3)环保特性认证:以欧洲标准HD464 为基础,开展干式变压器的耐气候(C0、C1、C2) 、耐环境(E0、E1、E2) 、耐火(F0、F1、F2) 特性的研究与认证。

  (4)大容量:配电变压器容量通常在2500KVA以下,目前,干式变压器的研发生产以此为主。随着城市用电负荷不断增加,城网区域性变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大中型厂矿等负荷中心,35KV大容量的区域供电干式电力变压器将获得广泛应用。我厂已经生产了35KV 16000/24000KVA超大容量的干式变,期望能取得20000KVA 及以上容量的订货。

  (5)多功能组合及智能化:从单一只具变电功能的变压器,向带有强迫风冷、保护外壳、功率计量、计算机接口、封闭母线、各种低压侧向出线等多功能组合式变压器发展;引入FTU智能化接口,具有数据处理、状态控制、状态显示等功能,从而使变压器成为一种多功能智能化、随时处于最佳运行状态的电气设备。

  (6)多领域发展:从以配电变压器为主,向发电厂励磁变、厂用变、地铁牵引整流变、大电流电炉变、核电站、船用、采油平台用等特种变压器及多用途多领域 发展。

  (7)多材料、多品种:在我国,环氧树脂真空浇注干式变压器占据着主导市场,预期在近期内难以改变。近年来对非晶合金、H级绝缘等新材料、新工艺,顺特等厂做过一些产品研制,获取了很多数据和经验,并将进一步在多领域做深入的研发。而未来材料科学的发展,新世纪必将会给变压器发展提供新机遇、开创新纪元。

作者简介:
曾庆赣 1959年生,1987年哈尔滨工大学微特电机专业硕士研究生毕业,现任厂总工程师、高级工程师。
蔡定国 1962年生,1992年华中理工大学电子材料与元器件专业硕士研究生毕业,现任开发科科长,工程师。
刘 斌 1974年生,1997年华南理工大学机电工程专业毕业,在顺德特种变压器厂技术部工作,任工程师。
张勖成 1939年生,1962年哈尔滨工大学电机专业毕业,现任顺德特种变压器厂技术顾问,高级工程师。

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    时间:2011年04月23日 22:51:45 来源:顺特电气 作者: 上一篇:农用变压器如何安装? 下一篇:农村小型水电站应选择如种变压器?  (电脑版  手机版)
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