變壓器改造方案和經濟技術探索

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本文作者：韓良工作單位：北京供電公司修試處

O概述

2O世紀so年代中期以前,國內制造廠生產變壓器時普遍采用鋁繞組。隨著大t鋁繞組變壓器的投入運行,其在遇到出口短路時容易引起繞組變形的問題逐漸攀露出來,同時,由于鋁導線機械強度不足而導致的匝間短路也成為該類變壓器事故的重要原因。雖然后來各制造廠停止了對鋁繞組變壓器的生產,但是,目前仍然還有很多大容量的鋁繞組變壓器在運行中。2O世紀oo年代以來,北京供電公司由于出口短路而造成繞組嚴重變形或變壓器事故的事例有十幾臺次,這些變壓器絕大部分是鋁繞組變壓器。隨著電網容t的增大,變壓器抗短路能力的問題越來越突出.其出口短路造成的事故對電網運行的影響也將越來越大。可以說,由于結構設計和材料方面的原因,鋁繞組變壓器中繞組機械強度先天不足的問題正成為電網中的一大隱患。但是,對鋁繞組變壓器,是應該繼續運行還是應投人一定資金進行改造、改造后的性能怎么樣、從經濟上是否值得改造等問題在電力部門內仍存在許多分歧。下面將對鋁繞組變壓器改造的必要性和可行性進行闡述,并給出了將110kV三繞組31500kVA鋁繞組變壓器改造為兩繞組S9系列5O《X洲)kVA高阻抗變壓器的方案論證和經濟技術比較實例以供參考。

1改造的必要性

由于鋁導線本身的機械強度低(鋁導線的屈服強度為科Nlmn12左右,而普通銅導線的屈服強度為98N/皿n平左右),鋁繞組承受短路電動力的能力差,因此,一旦發生變壓器出口短路,就容易使繞組扭曲變形,嚴重時還會使導線絕緣破損造成匝間短路。多數2O世紀so年代以前生產的變壓器,由于結構設計落后、采用的低密度紙板在運行和短路時壓縮變形量大、內繞組采用軟紙筒、繞組未采用恒壓干燥工藝等,使繞組的穩定性差,當導線局部變形后很容易造成整個繞組結構的失穩變形。老結構的有載調壓變壓器采用調壓線段結構,高、低壓繞組安匝分布不均勻,當短路發生時繞組承受的軸向應力較大,因此繞組變形損壞幾率很高。運行經驗表明,鋁繞組變壓器的抗短路能力更低,北京供電公司咸寧變電站、城子變電站等曾發生多起主變壓器短路事故,基本上都是鋁繞組變壓器。近年來,雖然加強了主變壓器的狀態監測,特別是在應用繞組頻率響應試驗檢測繞組變形方面取得了很大成績,發現了多起運行中的鋁繞組變壓器有繞組嚴重變形的現象,并及時消除了一些變壓器事故隱患,但是,由于變壓器出口短路故障的不可預測性和突發性,運行人員無法對提高運行變壓器的安全性掌握主動權。隨著電網的發展,對供電可靠性的要求越來越高,大容量主變壓器發生突發事故而退出運行所造成的損失不可低估。因此,提高鋁繞組變壓器的抗短路能力對電網的安全、穩定十分必要。

2改造帶來的其他效益

對鋁繞組變壓器進行改造除了能提高其抗短路能力以外,還能夠取得其他經濟技術效益:(l)延長變壓器的使用壽命。110kV鋁繞組變壓器的運行時間大都已較長,經過改造以后,繞組的絕緣壽命可與新變壓器相同,等于提高了變壓器的使用價值。(2)提高變壓器的絕緣性能。110kV鋁繞組變壓器中,有一部分是薄絕緣變壓器。薄絕緣變壓器的匝絕緣厚度一般為正常匝絕緣厚度的45%,匝間工作場強較高(最高可達到273OV/~),且110kV鋁繞組變壓器大都已進人絕緣老化期,在導線絕緣老化或受短路沖擊局部損壞后,其絕緣強度降低、局部放電量增大,很容易發生絕緣擊穿。對這些變壓器進行改造,不僅可提高抗短路能力,而且還可提高其絕緣性能,使變壓器的運行更加可靠。(3)提高變壓器的技術性能和經濟效益。由于技術水平和材料的局限性,鋁繞組變壓器設計標準低,空載損耗和負載損耗較大,與新一代變壓器相比屬于高耗能電氣設備。采用新的設計結構和材料改造后,可以增加變壓器的容量,降低單位損耗,從而提高了變壓器的技術性能和經濟效益。(4)充分發揮變壓器有載調壓的作用,改善電壓合格率。由于現有的大部分鋁繞組變壓器的額定電壓為110土3x2.5%/38.5八1kV或110士3x2.5%/38.5110.5kv,高壓側調壓范圍較小,中壓側和低壓側電壓偏高,這種參數的變壓器在實際運行中已經反映出在負載低谷時輸出電壓偏高的現象,影響了電網電壓的合格率。如果變壓器改造時更換全部繞組,并按照新的電壓標準來重新確定變壓器的額定電壓,就可以充分發揮變壓器有載調壓的作用,從而保證電網中電壓的合格率。

3改造方案的確定

油浸式變壓器的使用壽命取決于繞組、引線絕緣和油的壽命。鐵心硅鋼片作為一種金屬材料長時間運行不會產生材料老化問題,因此,更換了新繞組、新引線絕緣和新油的變壓器,其壽命應與新變壓器相同。如果將電容式套管和有載分接開關一并更換,應完全視為新變壓器。鋁繞組變壓器改造的關鍵是將鋁繞組換成銅繞組。由于鋁繞組變壓器的鐵心多用高導磁冷軋硅鋼片制成,且鐵心在變壓器材料成本中占有較大的比例,因此,可利用原有的鐵心。如北京供電公司城子變電站的11okv侶繞組變壓器,其鐵心采用日本產211型、0.35~厚的硅鋼片,該鐵心單位損耗較低、勵磁性能較好,能夠滿足改造后的播要。l夕臾〕一1996年,北京供電公司修試處曾對3臺220kV,一2()(XX)kVA和4臺l一0kV,315(X)kVA鋁繞組薄絕緣變壓器進行過成功的改造。改造方案是將三繞組120儀刃kVA變壓器降損增容改造為三繞組150《X洲)kVA變壓器,將三繞組31500kVA變壓器降損增容改造為三繞組4O《X舊kVA的變壓器。采用的技術措施主要是將鋁繞組改為銅繞組、將原來的鋼壓板材料改為高密度層壓木板,同時采用新的絕緣結構以提高鐵心空間利用率等。通過采取以上措施,可使變壓器在進行降損增容改造時保持原有的鐵心尺寸不變,改造后的變壓器可達到S7系列產品的標準。這7臺變壓器至今運行良好,為今后的變壓器改造工作積累了豐富的經驗。后來,由于資金緊張等多種原因,改造工作未再繼續進行下去。近幾年來,國內變壓器制造業通過引進技術或與國外企業合資等方式,使變壓器的技術水平得到不斷提高,新變壓器采用了S9系列或更高的性能標準,對變壓器的抗短路能力、降低局部放電等技術性能的要求也越來越高,再沿用過去的改造方案已經不能適應當前變壓器的技術發展水平。能不能繼續進行鋁繞組變壓器的改造,取決于改造后變壓器的技術性能和取得的經濟效益能否得到使用部門的認可。因此,我們對現有的3O多臺110kV鋁繞組變壓器進行了分析,除了繼續采用原有的技術措施以外,還針對新變壓器的性能標準要求提出了將容t為31500kvA的三繞組變壓器改造為容量為5O“叉)kVA的兩繞組變壓器的新方案,并對110kV鋁繞組變壓器的原改造方案與新改造方案進行了比較,見表1。新改造方案的主要技術原理是利用取消鋼壓板和中壓繞組后所節省的空間來適當增加繞組匝數(目的是降低磁通密度,減少空載損耗)、增設單獨的調壓繞組;將鋁導線改為銅導線(導線截面略有提高);增加變壓器的額定容t。從表1可以看出,按照新方案進行改造,除取消35kV繞組后有一定的功能損失外,變壓器的技術性能和經濟價值都有了很大的提高。隨著電網規模擴大,供電半徑減小,35kV電壓會越來越少,對電壓為110ll0.5kv變壓器的需求量會增加,因此,這種改造方案從技術角度和使用需求方面來說是可行的。

4具體要求的確定

為了使鋁繞組變壓器的改造能夠達到使用的要求,除了要確定改造方案和改造項目(個別項目可以根據實際情況取舍)以外,還必須確定變壓器改造的技術標準和技術參數。對110kv,31500kVA鋁繞組變壓器,改造后的技術標準應符合有關國家標準和行業標準,變壓器負載能力滿足GBIT15164一1995《油浸式電力變壓器負載導則》的要求。為保證變壓器改造的質t,還提出了一些改進結構和工藝的要求。提高變壓器抗短路能力的措施有:¹采用單獨調壓繞組的結構;º低壓繞組和調壓繞組采用內外撐條的結構并用熱縮帶綁扎加固;»內繞組撐條數t加倍(或增加輔助撐條);¼低壓繞組及調壓繞組內側采用厚度為5~的硬紙筒;½低壓繞組采用屈服強度為150Nlnlm)的半硬銅導線繞制;¾繞組上的墊塊采用高密度紙板制成,并進行倒角處理;¿繞組制造時采用恒壓干燥工藝,組裝時采用液壓裝置進行帶油緊固;À繞組的壓板采用整圓的高密度層壓木壓板或高密度層壓紙板,最小厚度應不小于7O~,每一相壓釘的數t應不少于8個;Á增加輔助壓板,使繞組上壓釘的位置、上鐵扼下部以及A、C相繞組的外側都能得到有效的壓緊。降低變壓器局部放電水平的措施有:¹增加鐵心外部地屏;º對鐵心夾件等金屬件的尖角處進行修整圓化處理;»變壓器干燥后進行全真空浸油(改造中加固油箱使其能承受真空度達到殘壓小于133Pa);¼提高繞組的清潔度;½采用優質的絕緣材料;¾在整個變壓器改造的過程中對器身采取嚴格的防塵措施。

5改造實例

下面是一個將110kv三繞組31500kVA鋁繞組變壓器改造為兩繞組S9系列500漢)kVA高阻抗變壓器的實例。改造前型號S斑囚』一31漢X)lllo容t31酬義)kVA電壓110土3x2.5%138.5士5%110.skV阻抗H一M:10.3%H一L:17.7%M一L:6.39%局放不保證空載電流0.日犯%(比同容t即型變壓器高216%)空載損耗匆kw(比同容t畢型變壓器高43%)負載損耗H一L:210.7kw(比同容t印型變壓器高338%)改造后型號S陀一50(XX)Zllo容t父儀泊kvA電壓110土8火1.25%/10.5kV阻抗實側值16.49%(設計值17%)局放實測值100丙空載電流0.19%(比同容量陽型變壓器低45.7%)空載損耗35kw(比同容量即型變壓器低巧.5%)負載損耗刀9kw(比同容量即型變壓器高11.8%)至么刃3年底,第一臺按上述方案改造后的變壓器已經安全運行了一年多,并順利通過了夏季負荷高峰的考驗。改造后的試驗和實際運行證明,改造產品的性能可達到改造方案所提出的技術要求,完全能夠滿足電力部門的使用要求。

6經濟效益分析

改造鋁繞組變壓器,同樣可以取得很高的經濟效益,對降低企業成本有很大好處。6.1改造與新換同型變壓器投資回收年限比較下面對將一臺31500kVA鋁繞組變壓器改造為5O川洲)kVA銅繞組變壓器與新購一臺50以X)kVA變壓器用來替換31500kVA鋁繞組變壓器這兩種方案來進行投資回收年限比較〔按年運行時間數為8700h,年平均負載系數為0.5,電價為0.36元l(k雙飛)]計算。用于比較的新變壓器為1999年11月某變壓器廠為北京供電公司生產的,其技術參數與改造方案基本相同,銘牌參數為:型號SFzg一5o側1〕/110,阻抗電壓16.8%,空載損耗33kw,負載損耗195.2kw。該新變壓器采用的有載分接開關為進口產品,將進口有載分接開關的價格折算成國產有載分接開關的價格后,計算出購買一臺新變壓器的價格約為22001扣0元。而按上述新改造方案對變壓器(采用國產有載分接開關)進行改造,共需投資的改造費用約為1150以X)元。又新購變壓器的年運行成本根據計算可知為256198元;改造后變壓器的年運行成本為296757元;而折算為5o側X)kVA的31500kVA變壓器的年運行成本為5偽571元。故新購變壓器年節約運行成本為253373元,改造變壓器年節約運行成本為212814元。由此,新購變壓器投資回收年限為22000以)l253373=8.7年;改造變壓器投資回收年限為115()(XX)1212814=5.4年以實際改造變壓器為例來計算改造變壓器的降損效益。以變壓器的運行壽命為3O年計算,該變壓器事故前運行時間為14年,故鋁繞組變壓器增容改造后在原鋁繞組變壓器剩余壽命年限內能夠取得的節能效益為(30一14)x2128一4==3405024元。改造變壓器的投資回收年限為5.4年,改造投資回收以后在原變壓器的剩余壽命年限內可取得的純收益為(3()一14一5.4)x212814=2255828元。由于變壓器繞組等絕緣件全部更換為新的材料,與新的變壓器完全相同,該變壓器經過改造以后的預期使用壽命為3O年,使原變壓器的使用壽命可以再延長14年。從以上數據比較可以看出,由于現有的鋁繞組變壓器運行成本較大,無論進行改造或更換新變壓器均能夠在較短時間內收回投資取得良好的經濟效益,但是改造變壓器投資回收年限要低于新購變壓器的投資回收年限。6.2改造與新換同型變壓器的投資效益比較(l)不考慮利率因素時,投資的靜態補償年限為界=兩方案投資差△Kl兩方案運行成本差△u=(2200(X幻一1l5()《XX))/(296757一256198)=25.9年(已超過變壓器的經濟運行壽命)(2)當考慮利率因素(年利率:取3%)時,投資的動態補償年限為兀==[10必U一109(△U一r△K)]1109(l+r)=(4.61一3.96)10.013=5O年從以上計算可以看出:新購變壓器投資大,年運行成本略低;改造變壓器投資少,年運行成本略高。但比較兩種方案的遠期投資效益,新換變壓器與改造變壓器相比增加投人較多。雖然新變壓器的技術指標略優于改造后的變壓器,能夠更進一步降低運行成本,但增加的投資回收期過長。因此,采用較低投人的改造變壓器方案優于購買新變壓器的方案,從經濟性來說對鋁繞組變壓器應優選增容改造方案。7結束語合理確定變壓器的改造方案、性能參數和技術要求,并采取相應的措施保證變壓器的改造質t,改造后的變壓器性能可與新變壓器相同。改造鋁繞組變壓器有利于提高設備運行水平,降低運行成本,而且改造變壓器投資少,投資回收快,更節約能源,對企業和社會都有良好的經濟技術效益。