变压器改造方案和经济技术探索

本文作者：韩良工作单位：北京供电公司修试处

O概述

2O世纪so年代中期以前,国内制造厂生产变压器时普遍采用铝绕组。随着大t铝绕组变压器的投入运行,其在遇到出口短路时容易引起绕组变形的问题逐渐攀露出来,同时,由于铝导线机械强度不足而导致的匝间短路也成为该类变压器事故的重要原因。虽然后来各制造厂停止了对铝绕组变压器的生产,但是,目前仍然还有很多大容量的铝绕组变压器在运行中。2O世纪oo年代以来,北京供电公司由于出口短路而造成绕组严重变形或变压器事故的事例有十几台次,这些变压器绝大部分是铝绕组变压器。随着电网容t的增大,变压器抗短路能力的问题越来越突出.其出口短路造成的事故对电网运行的影响也将越来越大。可以说,由于结构设计和材料方面的原因,铝绕组变压器中绕组机械强度先天不足的问题正成为电网中的一大隐患。但是,对铝绕组变压器,是应该继续运行还是应投人一定资金进行改造、改造后的性能怎么样、从经济上是否值得改造等问题在电力部门内仍存在许多分歧。下面将对铝绕组变压器改造的必要性和可行性进行阐述,并给出了将110kV三绕组31500kVA铝绕组变压器改造为两绕组S9系列5O《X洲)kVA高阻抗变压器的方案论证和经济技术比较实例以供参考。

1改造的必要性

由于铝导线本身的机械强度低(铝导线的屈服强度为科Nlmn12左右,而普通铜导线的屈服强度为98N/皿n平左右),铝绕组承受短路电动力的能力差,因此,一旦发生变压器出口短路,就容易使绕组扭曲变形,严重时还会使导线绝缘破损造成匝间短路。多数2O世纪so年代以前生产的变压器,由于结构设计落后、采用的低密度纸板在运行和短路时压缩变形量大、内绕组采用软纸筒、绕组未采用恒压干燥工艺等,使绕组的稳定性差,当导线局部变形后很容易造成整个绕组结构的失稳变形。老结构的有载调压变压器采用调压线段结构,高、低压绕组安匝分布不均匀,当短路发生时绕组承受的轴向应力较大,因此绕组变形损坏几率很高。运行经验表明,铝绕组变压器的抗短路能力更低,北京供电公司咸宁变电站、城子变电站等曾发生多起主变压器短路事故,基本上都是铝绕组变压器。近年来,虽然加强了主变压器的状态监测,特别是在应用绕组频率响应试验检测绕组变形方面取得了很大成绩,发现了多起运行中的铝绕组变压器有绕组严重变形的现象,并及时消除了一些变压器事故隐患,但是,由于变压器出口短路故障的不可预测性和突发性,运行人员无法对提高运行变压器的安全性掌握主动权。随着电网的发展,对供电可靠性的要求越来越高,大容量主变压器发生突发事故而退出运行所造成的损失不可低估。因此,提高铝绕组变压器的抗短路能力对电网的安全、稳定十分必要。

2改造带来的其他效益

对铝绕组变压器进行改造除了能提高其抗短路能力以外,还能够取得其他经济技术效益:(l)延长变压器的使用寿命。110kV铝绕组变压器的运行时间大都已较长,经过改造以后,绕组的绝缘寿命可与新变压器相同,等于提高了变压器的使用价值。(2)提高变压器的绝缘性能。110kV铝绕组变压器中,有一部分是薄绝缘变压器。薄绝缘变压器的匝绝缘厚度一般为正常匝绝缘厚度的45%,匝间工作场强较高(最高可达到273OV/~),且110kV铝绕组变压器大都已进人绝缘老化期,在导线绝缘老化或受短路冲击局部损坏后,其绝缘强度降低、局部放电量增大,很容易发生绝缘击穿。对这些变压器进行改造,不仅可提高抗短路能力,而且还可提高其绝缘性能,使变压器的运行更加可靠。(3)提高变压器的技术性能和经济效益。由于技术水平和材料的局限性,铝绕组变压器设计标准低,空载损耗和负载损耗较大,与新一代变压器相比属于高耗能电气设备。采用新的设计结构和材料改造后,可以增加变压器的容量,降低单位损耗,从而提高了变压器的技术性能和经济效益。(4)充分发挥变压器有载调压的作用,改善电压合格率。由于现有的大部分铝绕组变压器的额定电压为110土3x2.5%/38.5八1kV或110士3x2.5%/38.5110.5kv,高压侧调压范围较小,中压侧和低压侧电压偏高,这种参数的变压器在实际运行中已经反映出在负载低谷时输出电压偏高的现象,影响了电网电压的合格率。如果变压器改造时更换全部绕组,并按照新的电压标准来重新确定变压器的额定电压,就可以充分发挥变压器有载调压的作用,从而保证电网中电压的合格率。

3改造方案的确定

油浸式变压器的使用寿命取决于绕组、引线绝缘和油的寿命。铁心硅钢片作为一种金属材料长时间运行不会产生材料老化问题,因此,更换了新绕组、新引线绝缘和新油的变压器,其寿命应与新变压器相同。如果将电容式套管和有载分接开关一并更换,应完全视为新变压器。铝绕组变压器改造的关键是将铝绕组换成铜绕组。由于铝绕组变压器的铁心多用高导磁冷轧硅钢片制成,且铁心在变压器材料成本中占有较大的比例,因此,可利用原有的铁心。如北京供电公司城子变电站的11okv侣绕组变压器,其铁心采用日本产211型、0.35~厚的硅钢片,该铁心单位损耗较低、励磁性能较好,能够满足改造后的播要。l夕臾〕一1996年,北京供电公司修试处曾对3台220kV,一2()(XX)kVA和4台l一0kV,315(X)kVA铝绕组薄绝缘变压器进行过成功的改造。改造方案是将三绕组120仪刃kVA变压器降损增容改造为三绕组150《X洲)kVA变压器,将三绕组31500kVA变压器降损增容改造为三绕组4O《X旧kVA的变压器。采用的技术措施主要是将铝绕组改为铜绕组、将原来的钢压板材料改为高密度层压木板,同时采用新的绝缘结构以提高铁心空间利用率等。通过采取以上措施,可使变压器在进行降损增容改造时保持原有的铁心尺寸不变,改造后的变压器可达到S7系列产品的标准。这7台变压器至今运行良好,为今后的变压器改造工作积累了丰富的经验。后来,由于资金紧张等多种原因,改造工作未再继续进行下去。近几年来,国内变压器制造业通过引进技术或与国外企业合资等方式,使变压器的技术水平得到不断提高,新变压器采用了S9系列或更高的性能标准,对变压器的抗短路能力、降低局部放电等技术性能的要求也越来越高,再沿用过去的改造方案已经不能适应当前变压器的技术发展水平。能不能继续进行铝绕组变压器的改造,取决于改造后变压器的技术性能和取得的经济效益能否得到使用部门的认可。因此,我们对现有的3O多台110kV铝绕组变压器进行了分析,除了继续采用原有的技术措施以外,还针对新变压器的性能标准要求提出了将容t为31500kvA的三绕组变压器改造为容量为5O“叉)kVA的两绕组变压器的新方案,并对110kV铝绕组变压器的原改造方案与新改造方案进行了比较,见表1。新改造方案的主要技术原理是利用取消钢压板和中压绕组后所节省的空间来适当增加绕组匝数(目的是降低磁通密度,减少空载损耗)、增设单独的调压绕组;将铝导线改为铜导线(导线截面略有提高);增加变压器的额定容t。从表1可以看出,按照新方案进行改造,除取消35kV绕组后有一定的功能损失外,变压器的技术性能和经济价值都有了很大的提高。随着电网规模扩大,供电半径减小,35kV电压会越来越少,对电压为110ll0.5kv变压器的需求量会增加,因此,这种改造方案从技术角度和使用需求方面来说是可行的。

4具体要求的确定

为了使铝绕组变压器的改造能够达到使用的要求,除了要确定改造方案和改造项目(个别项目可以根据实际情况取舍)以外,还必须确定变压器改造的技术标准和技术参数。对110kv,31500kVA铝绕组变压器,改造后的技术标准应符合有关国家标准和行业标准,变压器负载能力满足GBIT15164一1995《油浸式电力变压器负载导则》的要求。为保证变压器改造的质t,还提出了一些改进结构和工艺的要求。提高变压器抗短路能力的措施有:¹采用单独调压绕组的结构;º低压绕组和调压绕组采用内外撑条的结构并用热缩带绑扎加固;»内绕组撑条数t加倍(或增加辅助撑条);¼低压绕组及调压绕组内侧采用厚度为5~的硬纸筒;½低压绕组采用屈服强度为150Nlnlm)的半硬铜导线绕制;¾绕组上的垫块采用高密度纸板制成,并进行倒角处理;¿绕组制造时采用恒压干燥工艺,组装时采用液压装置进行带油紧固;À绕组的压板采用整圆的高密度层压木压板或高密度层压纸板,最小厚度应不小于7O~,每一相压钉的数t应不少于8个;Á增加辅助压板,使绕组上压钉的位置、上铁扼下部以及A、C相绕组的外侧都能得到有效的压紧。降低变压器局部放电水平的措施有:¹增加铁心外部地屏;º对铁心夹件等金属件的尖角处进行修整圆化处理;»变压器干燥后进行全真空浸油(改造中加固油箱使其能承受真空度达到残压小于133Pa);¼提高绕组的清洁度;½采用优质的绝缘材料;¾在整个变压器改造的过程中对器身采取严格的防尘措施。

5改造实例

下面是一个将110kv三绕组31500kVA铝绕组变压器改造为两绕组S9系列500汉)kVA高阻抗变压器的实例。改造前型号S斑囚』一31汉X)lllo容t31酬义)kVA电压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%局放不保证空载电流0.日犯%(比同容t即型变压器高216%)空载损耗匆kw(比同容t毕型变压器高43%)负载损耗H一L:210.7kw(比同容t印型变压器高338%)改造后型号S陀一50(XX)Zllo容t父仪泊kvA电压110土8火1.25%/10.5kV阻抗实侧值16.49%(设计值17%)局放实测值100丙空载电流0.19%(比同容量阳型变压器低45.7%)空载损耗35kw(比同容量即型变压器低巧.5%)负载损耗刀9kw(比同容量即型变压器高11.8%)至么刃3年底,第一台按上述方案改造后的变压器已经安全运行了一年多,并顺利通过了夏季负荷高峰的考验。改造后的试验和实际运行证明,改造产品的性能可达到改造方案所提出的技术要求,完全能够满足电力部门的使用要求。

6经济效益分析

改造铝绕组变压器,同样可以取得很高的经济效益,对降低企业成本有很大好处。6.1改造与新换同型变压器投资回收年限比较下面对将一台31500kVA铝绕组变压器改造为5O川洲)kVA铜绕组变压器与新购一台50以X)kVA变压器用来替换31500kVA铝绕组变压器这两种方案来进行投资回收年限比较〔按年运行时间数为8700h,年平均负载系数为0.5,电价为0.36元l(k双飞)]计算。用于比较的新变压器为1999年11月某变压器厂为北京供电公司生产的,其技术参数与改造方案基本相同,铭牌参数为:型号SFzg一5o侧1〕/110,阻抗电压16.8%,空载损耗33kw,负载损耗195.2kw。该新变压器采用的有载分接开关为进口产品,将进口有载分接开关的价格折算成国产有载分接开关的价格后,计算出购买一台新变压器的价格约为22001扣0元。而按上述新改造方案对变压器(采用国产有载分接开关)进行改造,共需投资的改造费用约为1150以X)元。又新购变压器的年运行成本根据计算可知为256198元;改造后变压器的年运行成本为296757元;而折算为5o侧X)kVA的31500kVA变压器的年运行成本为5伪571元。故新购变压器年节约运行成本为253373元,改造变压器年节约运行成本为212814元。由此,新购变压器投资回收年限为22000以)l253373=8.7年;改造变压器投资回收年限为115()(XX)1212814=5.4年以实际改造变压器为例来计算改造变压器的降损效益。以变压器的运行寿命为3O年计算,该变压器事故前运行时间为14年,故铝绕组变压器增容改造后在原铝绕组变压器剩余寿命年限内能够取得的节能效益为(30一14)x2128一4==3405024元。改造变压器的投资回收年限为5.4年,改造投资回收以后在原变压器的剩余寿命年限内可取得的纯收益为(3()一14一5.4)x212814=2255828元。由于变压器绕组等绝缘件全部更换为新的材料,与新的变压器完全相同,该变压器经过改造以后的预期使用寿命为3O年,使原变压器的使用寿命可以再延长14年。从以上数据比较可以看出,由于现有的铝绕组变压器运行成本较大,无论进行改造或更换新变压器均能够在较短时间内收回投资取得良好的经济效益,但是改造变压器投资回收年限要低于新购变压器的投资回收年限。6.2改造与新换同型变压器的投资效益比较(l)不考虑利率因素时,投资的静态补偿年限为界=两方案投资差△Kl两方案运行成本差△u=(2200(X幻一1l5()《XX))/(296757一256198)=25.9年(已超过变压器的经济运行寿命)(2)当考虑利率因素(年利率:取3%)时,投资的动态补偿年限为兀==[10必U一109(△U一r△K)]1109(l+r)=(4.61一3.96)10.013=5O年从以上计算可以看出:新购变压器投资大,年运行成本略低;改造变压器投资少,年运行成本略高。但比较两种方案的远期投资效益,新换变压器与改造变压器相比增加投人较多。虽然新变压器的技术指标略优于改造后的变压器,能够更进一步降低运行成本,但增加的投资回收期过长。因此,采用较低投人的改造变压器方案优于购买新变压器的方案,从经济性来说对铝绕组变压器应优选增容改造方案。7结束语合理确定变压器的改造方案、性能参数和技术要求,并采取相应的措施保证变压器的改造质t,改造后的变压器性能可与新变压器相同。改造铝绕组变压器有利于提高设备运行水平,降低运行成本,而且改造变压器投资少,投资回收快,更节约能源,对企业和社会都有良好的经济技术效益。