拉哇水电站主变压器型式选择

顾 楠

（三峡集团长江生态环保集团长江清源节能环保有限公司，湖北 武汉 430062）

1 工程概况

拉哇水电站位于金沙江水电基地川藏界河段，为金沙江上游水电13级开发中第8级。水库正常蓄水位为2 702 m，大坝为面板堆石坝，最大坝高234 m。工程区左侧为四川省巴塘县拉哇乡，右侧为西藏自治区芒康县竹巴笼乡，上游为叶巴滩梯级电站，下游为巴塘梯级电站。电站装机4台，单机容量500 MW[1]，年平均发电量为83.64亿kW·h，年利用小时为4 153 h。电站为“十三五”中央支持西藏经济社会发展的重大项目，2019年1月核准，“十四五”期间投产发电。

2 基本参数

发电机额定容量为500 MW，额定功率因数为0.9，额定电压18 kV，额定转速125.0 r/min。

总容量为1 000 MW及以上、单机容量为200 MW及以上即可被认为大型电厂，根据拉哇水电站的装机容量判断，拉哇水电站属于大型电厂，其接线特点为采用稳定的单元接线方式，该方式的优点是连接简单，具有一定的可靠性，因此最终使用单元接线方式将发电机和变压器进行组合，在发电机的出口段安装断路器设备；500 kV侧采用3/2接线。

主变压器额定容量为560 MVA，额定变比为550±2×2.5%/18 kV，连接组别为YN，d11。

3 主变压器型式

拉哇水电站重大件运输可选用水路公路联运和铁路公路联运两种方式。其中铁路运输要求设备运输尺寸限制在铁路二级超限范围内，重量一般不超过200 t；公路运输受沿线桥梁隧道的荷载标准限值，要求设备运输重量不超过150 t[2]。

目前，国内外关于超高压、容量高的主变压器主要有：

（1）组合式三相变压器：

（2）整体三相变压器；

（3）现场组装式三相变压器；

（4）单相变压器组。

上述的整体三相变压器方案中，以各个厂家给拉哇水电站提供的各项主变压器参数为基础，一般的三相变压器的充氮运输总重已超过270 t，由于运输重量超过铁路运输极限，不能满足电站重大件运输条件，只能采用水路和公路运输。根据拉哇水电站重大件设备运输方案的可行性研究报告分析，水路和公路联运的方案由港口利用在电站附近设置的重大件码头上岸，经公路运输抵达工地。如果要满足运输整体三相变压器的需要，必须对码头、专用公路、涵洞及起吊设备等级作进一步提高，将增加投资达数亿元。虽然三相变压器在技术及运行管理上具有一定的优点，但因运输困难、运输费用过高，远远超过变压器本体的费用，因此不考虑整体三相变压器的方案。

根据各厂家为拉哇水电站提供的主变压器参数，单相变压器、组合式三相变压器及现场组装式三相变压器充氮运输重量分别约为123～137 t、124～137 t和63～70 t，可满足电站运输要求，因此拉哇水电站主变压器仅考虑上述3种型式。

3.1 3种主变型式简介

在单相变压器组方案中，形成三相需要使用3台普通变压器，再借助IPB在外部三角形连接而成。组合式三相变压器由3个相互独立的单相油箱和1个公共的上节油箱组成，运输时4个油箱单独运输，运到工地现场就位后，再完成外部油管路连接、内部接线、安装套管等组件，形成一台完整的三相变压器。现场组装三相变压器在外形上看与普通三相变压器相同，但其内部结构做成可拆卸的若干部件，运输时各部件分别运输，在现场再组装成整体，现场需要设计一个单独的组装车间，配置相应组装设备。

3.2 技术分析

（1）设计制造难度

对于拉哇水电站560 MVA这一容量的变压器，3种变压器均具有成熟的设计制造经验，亦不存在设计制造难题。

（2）安装

单相变压器组现场就位后，仅需安装套管、冷却器及散热器等附件，时间较短；如果把这些单相变压器分隔开，会使得变压器占用位置空间更多，更加不易于低压侧封闭母线的三角形连接。

组合式三相变压器对工地现场的外部环境，如场地、安装环境等方面无太多要求，使用3台单相变压器，将它们的油路连接就会组成一个综合的油系统，其安装难度较为低，时间也较短。同时，组合式三相变压器的低压侧三角形连接在器身内部完成，使离相封闭母线布置相对简单。

现场组装三相变压器的安装最为复杂，时间最长，现场不仅要求安装环境具有同工厂一样管理水平的双层防尘安装场地，还要安装油净化、起吊、除湿、空气干燥等各种设备，还要求具有同工厂一样严格先进的装配工艺和熟练的技术工人。现场组装完成后，为确保与工厂装配一样的品质，还应完整地进行短路阻抗和负载损耗测量等试验。同时现场组装工期长，且受许多不确定因素制约，正常情况下，组装一台额定电压500 kV，额定容量560 MVA的三相变压器需要约50 d左右，比单相式以及组合式三相变压器的安装时间要长很多。但是这种组装方式便于运维期的检修，尤其是严重故障的处理。

（3）可靠性

单相变压器组是3台独立的单相变压器组合之后形成的，其油路并不是固定的，各变压器低压引线单独与发电机离相封闭母线相连，在主变压器外部形成低压△连接，主变低压侧因采用离相封闭母线，发生三相或两相短路的概率非常低且不会因任一相高压套管的故障影响其它两相，提高了电站运行的可靠性。

组合式三相变压器具有共用油系统且在现场装配形成，存在共用油系统部分渗漏的可能性；除此之外，该变压器会在低压侧母线连接的箱体内生成三角形连接，使用3只套管将其引出之后连接到发电机出口离相封闭母线上，此时变压器里的电路、油路保持通畅，导致相间连接地点上的两相、三相短路概率提升，也可能会出现高压套管故障延伸到其他两相的情况。但近些年，随着设计制作工艺、施工手段和安装工艺的不断改进，变压器质量能够得到保证。龙滩水电站[3]及瀑布沟水电站[4]的主变压器运行至今，未发生相间短路或漏油等事故。组合式三相变压器的不足之处在可靠性方面并不是很优异，但也能够符合电站安全运行标准。

现场组装三相变压器相间连接处与组合式三相变压器一样存在相间连接地点上的两相、三相短路概率提升的可能性，也可能会出现高压套管故障延伸到其他两相的情况；而且变压器的现场组装质量会直接影响到可靠性，但是现场组装质量也有很多影响因素，例如工具、设备、现场环境、技术人员组织管理能力、设备本身的组装、调试等等。

（4）布置

拉哇水电站为全地下厂房，按照电力设备典型消防规程要求及根据制造厂提供的主变资料，若采用单相变压器组，主变室宽约10.8 m、高12 m，每台机主变室长度31 m，主变运输道宽6.5 m；整个布置较为拥挤，中性点设备只能布置在主变室上部的500 kV高压电缆层。

若采用组合式三相变或现场组装三相变，主变室宽约10.5 m、高12 m，每台机主变室长度20 m，主变运输道宽7 m；整个布置比较宽敞，中性点设备可以与主变同层布置。

可见，与单相变压器组相比，组合式三相变或现场组装三相变能显著减小占地面积，从而降低了土建工程量，此外发电机出口离相封闭母线与变压器的连接也较为简单。

（5）备用相

对于备用相其中的单相变压器组设置，电力行业标准《水力发电厂机电设计规范》指出： “采用单相变压器组的水电厂，年利用小时数在4 000 h及以上，且设有4 组及以上相同容量的单相变压器组可设置1台备用相。”而关于现场组装三相变和组合式三相变都没有具体规范。

在工程执行过程中，针对500 kV单相变压器，国内大型水电站如构皮滩（5台套）[5]及乌弄龙（4台套）[6]等均设置了备用相；对于组合式三相变，龙滩水电站（7台套）和瀑布沟水电站（6台套）组合式三相变压器均未设置备用相，而溪洛渡水电站（左、右岸各9台套）设置了备用相；对于现场组装三相变，长河坝（4台套）和大岗山（4台套）均未设置备用相。

因此，对于拉哇水电站，若采用单相变压器组需考虑设置备用相；若采用组合式三相变或现场组装式三相变，可不考虑设置备用相。

（6）技术分析小结

综上所述，从变压器的设计制造来看，拉哇水电站采用单相变压器组、组合式三相变压器或现场组装三相变压器都是可行的，但从主变可靠性与主变现场安装、运行、维护方面来考虑，单相变压器组或组合式三相变压器优于现场组装三相变压器。

3.3 经济分析

（1）主变压器投资分析

根据主变制造厂提供的资料，对于同一制造厂、同一电压等级和容量，若单相变压器组的价格为1，那么组合式变压器的价格则在0.92～0.95之间，除此之外现场组装变压器的价格则在0.82～0.86之间。不同制造厂这三者的价格也有所不同，但都在上述范围之内，差距较小。采用备用变压器后三者的设备投资情况如表1所示。

表1 三种变压器设备价格表

（2）土建工程费用分析

根据前面所述的3种变压器的布置方案，拉哇水电站4台套主变采用组合式三相变或现场组装三相变时，其主变洞开挖长度比采用单相变压器组要少20 m，对应的土建投资少640万。3种主变对应的土建费用分析见表2。

（3）附加机电设备投资费用分析

附加机电设备投资费用主要是指发电机离相封闭母线投资费用，主变水喷雾系统等因投资额较少不参与比较。根据前面所述的变压器布置方案，采用单相变压器组时，其发电机离相封闭母线每台机总长度比采用组合式三相变或现场组装三相变要长约65 m。3种主变对应的离相封闭母线投资费用见表2。

表2 3种变压器土建投资及附加设备投资比较表

（4）经济分析小结

3种方案中，单相变压器组方案总投资最大，仅土建及离相封闭母线投资就比其余两种方案多了1 030万；组合式三相变压器及现场组装变压器方案总投资相差不大，与单相变压器组方案相比，经济优势明显。

3.4 推荐方案

综上所述，3种变压器方案设计、制造、运行经验均比较成熟，可靠性高，运输重量满足电站运输要求，但单相变压器组方案布置场地较大且拥挤、总投资最大，因此不推荐；现场组装三相变总投资比组合式三相变略少，但现场安装受到诸多因素制约且安装工期存在诸多不确定性，所以也不便于使用；综合以上内容最终选择使用组合式三相变压器作为拉哇水电站的主变压器。

4 变压器冷却方式

相较于同类型水电站，如白鹤滩水电站、锦屏二级水电站等，地下厂房中主变压器如采用通风冷却将无法满足散热要求，所以最终都采用了水冷却方式。由于拉哇水电站为地下厂房电站，主变压器布置在地下洞室内，为了简化通风散热设计，减少噪音，同时考虑到水电站取水方便，河水水质较好等因素，参考同类型电站，本电站主变压器冷却方式推荐采用水冷却。

5 结论

三相变压器的维护工作较为简单，但是因为运输条件的影响不能使用；综合比较上述3种形式的变压器的优缺点，最终选择使用组合式三相变压器方案，冷却方式采用技术成熟的水冷却方案。本文对主变选型及冷却方式等进行了分析和对比，提出了推荐方案并得到采纳，对类似条件的水电站主变压器选型有实际借鉴意义。