淺談AP1000核電機組主變等變壓器的選型

倪建偉

摘 要：根據AP1000核電機組的特點，結合核電設備的安全性、可靠性、技術合理性和經濟性要求，從變壓器的容量、結構、冷卻方式和調壓方式等方面對主變等變壓器選型進行了分析和比較。

關鍵詞：變壓器；調壓方式；冷卻方式；核電機組

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.092

主變等變壓器是發電廠內重要的電氣一次設備，它通過電磁耦合將發電機出口處的電壓轉換成同頻率的電網電壓，完成電能的送出。在核電領域，主變等變壓器極其重要，國家核安全局已將主變納入了監管范圍。

1 主變等變壓器的容量選擇

新建電廠要確定電廠的規模和裝機容量，并確定主變等變壓器的容量、臺數。主變等變壓器的容量、臺數直接影響著主接線的形式和配電裝置的結構。AP1000海陽核電和三門核電規劃建設三期六臺百萬千瓦級機組，在建一期工程發電機的基本參數為：單機容量為1 266.3 MW，額定功率因數為0.9，額定電壓為24 kV，發電機與變壓器的組合方式為單元接線，所配主變壓器高壓側的額定電壓為500 kV，低壓側的額定電壓為24 kV（與離相封閉母線連接）；連接組別為YN，d11.

AP1000非能動的設計簡化了系統、減少了應急安全電源等設備，廠用電回路負荷也隨之減少。以海陽核電為例，汽輪發電機的單機容量為1 266.3 MW，廠用電率暫按5%計算，根據《火力發電廠設計技術規程》中規定的容量計算原則，可算出主變容量為1 336 MVA，型式為三相分體變壓器時，每臺主變的單相容量為445 MVA。

目前，三門核電配置了7臺DFP-484MVA單相變壓器，其容量依據西屋設計標準確定，并考慮了足夠的裕量；海陽核電主變按照我國標準設計，單相額定連續容量為442 MVA，比三門核電的容量小。

根據設計技術規程，高壓廠用工作變壓器的容量宜按高壓電動機計算負荷與低壓廠用電的計算負荷之和選擇；高壓廠用/備用變壓器或啟動/備用變壓器的容量不應小于高壓廠用工作變壓器中容量最大的一臺。

對于容量為600 MW及以上的機組，當發電機出口裝有斷路器或負荷開關時，高壓廠用備用變壓器的容量可按一臺高壓廠用工作變壓器容量的60%～100%選擇。以海陽核電為例，依據廠用電負荷估算，高廠變與輔助變的容量一致，均為88 MVA。

2 主變等變壓器型式的選擇原則

2.1 相數的確定

三相共體變壓器的三相繞組共用一個鐵芯、外殼，且采用整體安裝到現場的方式，其主要優點為價格低、占地面積小、安裝方便、漏油點少、維護方便，且運行損耗可降低12%～15%；其缺點是結構復雜，如果發生故障，則很難在短時間內修復，且對運輸的要求較高。

在330 kV及以下電力系統中，如果不受運輸條件的限制，一般可選擇三相共體變壓器，因此，三門核電、海陽核電輔助變和高廠變均采用了三相共體變壓器，帶油運輸量為120～140 t。

三相分體變壓器即三臺單相變壓器，三臺單相變壓器間應具備防火距離或設置防火墻等，其特點是價格高昂、占地面積大。采用三相分體變壓器可解決超大件運輸問題，還可解決布置區域過大的問題。對于500 kV發電廠，應根據技術經濟論證選用三相變壓器或單向變壓器組。如果采用三相分體式變壓器，通常會多采購一臺參數合適的備用變壓器，當發生事故時，換上備用相后可在短時間內恢復供電。目前，三門核電、海陽核電項目主變壓器均采用三相分體式變壓器，單相質量為140 t，帶油運輸量為215 t，可采用陸路運輸或水路運輸的方式；如果選用三相共體變壓器，帶油輸運量約為500 t，且最好選則水路運輸的方式。

2.2 繞組數的確定

變壓器按其繞組數可分為雙繞組式、三繞組式及低壓繞組分裂式等形式。發電廠最大容量為600 MW及以上的機組一般采用發電機-雙繞組變壓器單元接線形式接入系統；如果發電廠有兩個升高電壓時，常使用三繞組變壓器（或自耦變）作為聯絡變壓器，低壓繞組作為廠用啟動電源或廠用備用電源，其主要作用是實現高、中壓的聯絡。

對于分裂式繞組變壓器，在變壓器高壓側只有一個繞組，低壓側有兩個電壓、阻抗、容量、接線組別相同的繞組。其主要用于向大型發電機廠送電，如果一個低壓繞組故障，另一個低壓繞組仍能繼續運行。AP1000核電項目的高廠變和輔助變均為三相分裂式繞組變壓器，根據分裂方式的不同，分為幅相分裂和軸向分裂。

2.3 繞組連接方式的確定

變壓器的連接方式必須與系統電壓相位一致，否則無法并列運行。電力系統采用的繞組連接方式只有“Y”形和“△”形，高、中、低三側繞組的組合方式可根據工程的實際情況確定。

2.4 變壓器調壓方式的選擇

調壓方式分為有載調壓和無勵磁調壓兩種。有載調壓比無載調壓的結構復雜、造價高、維修工作量大、故障率高。當潮流方向不固定，且要求變壓器的二次電壓維持在一定水平時，應采用有載調壓的方式，廠用變壓器采用有載調壓的方式有利于降低廠用電切換時的壓差，從而減小切換過程中的環流，還可作為啟動或停機過程中調節廠用母線電壓的手段，因此，AP1000海陽核電和三門核電的高廠變和輔助變均采用了有載調壓的方式；無勵磁調壓又稱空載調壓，即將變壓器二次側所有的用電設備全部斷開后，才操作一次側的調壓端子，操作安全性非常高，但無勵磁分接開關不具備熄滅電弧的功能，帶電操作或觸頭拉弧時易造成短路或觸頭熔焊，嚴重時將導致變壓器爆炸，因此，嚴禁帶電操作無勵磁分接開關。目前，大容量電廠的主變壓器絕大多數選用無勵磁調壓開關，我國生產的500 kV發電機升壓變壓器的高壓側均帶有無勵磁調壓開關，AP1000海陽核電和三門核電的主變均采用無勵磁調壓的方式。

2.5 變壓器冷卻方式和冷卻介質的選擇

2.5.1 變壓器冷卻方式的選擇

運行中的變壓器存在短路和空載損耗的情況，進而導致變壓器的溫度升高。為了使變壓器的溫度不超過允許值，應采用變壓器油冷卻變壓器。變壓器的冷卻方式在不斷創新，目前仍在使用的冷卻方式有自冷、風冷和水冷。

油浸自冷式是指以油的自然對流作用將熱量帶至油箱壁和散熱管，然后依靠空氣的對流傳導作用散發熱量；油浸風冷式是指在油浸自冷式的基礎上，在油箱壁或散熱管上加裝風扇，利用吹風機冷卻。加裝風冷后可使變壓器的容量增加30%～35%.

強迫油循環冷卻方式又分強油風冷和強油水冷兩種，冷卻原理為利用油泵將油打入油冷卻器后復回油箱冷卻。油冷卻器可做成易散熱的特殊形狀，并利用風扇或循環水作冷卻介質帶走熱量。采用強迫油循環冷卻方式時，如果將油的循環速度提升至自然對流時的3倍，則變壓器可增加30%的容量。

經調查發現，我國生產的500 MVA及以上大型變壓器大多采用強迫油循環風冷（OFAF/ODAF）的方式，在不同的環境溫度下，投入不同數量的冷卻器可使變壓器滿足相關運行要求。

AP1000核電項目高廠變和輔助變的冷卻方式為ONAF/ONAN（100%/70%）。當負載<70%時，通過自冷冷卻；當負載>70%時，全套散熱系統啟動，油浸風冷式可完全滿足冷卻要求。

2.5.2 變壓器冷卻介質的選擇

變壓器油在變壓器絕緣和散熱中起著重要的作用。我國的變壓器油產品以凝固點來劃分牌號，分別為10#、25#和45#。以海陽核電廠的條件為例，其最低環境溫度為-16.3 ℃（1996-02-06），因此，主變、高廠變、輔助變均采用了25#變壓器油。

3 結束語

本文對影響變壓器選型的單相和三相共體變壓器的選擇、繞組的選擇、調壓方式的選擇、變壓器冷卻方式的選擇等進行了討論，并結合AP1000核電選型實例展開了分析，有利于相關單位把好變壓器的選型關，科學、合理地選擇變壓器結構和相關性能指標。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： According to the characteristics of AP1000 nuclear power plant， combining the safety， reliability， technical rationality and economic requirements of nuclear power plant， this paper analyzes and compares the transformer's capacity， structure， cooling mode and the way of adjusting and pressing.

Key words： transformer； voltage regulation； cooling mode； nuclear power plant