城區110kV合建變電站變壓器選型探討

王俊杰 楊懷棟 常修猛

摘要：根據城區110kV合建變電站的防火、防爆要求，提出SF6氣體變壓器、環氧樹脂澆注干式變壓器和交聯電纜干式變壓器是三種合適的變壓器型式。通過技術特性的分析和比較，SF6氣體變壓器產品成熟程度和可靠性最高，目前宜作為城區110kV合建變電站變壓器的首先。但從環境保護角度考慮，未來城區110kV合建變電站應重點考慮選用環氧樹脂澆注干式變壓器和交聯電纜干式變壓器。

Abstract： According to the fire and explosion protection requirements of the urban 110kV joint-construct transformer substation， three kinds of suitable transformer mode are put forward， they are SF6 gas insulated transformer， epikote teeming dry-type transformer and crosslinked cable dry-type transformer. Through the analysis and comparison of technical characteristics， the maturity and reliability of the product of SF6 gas insulated transformer are highest. It can be the first choice of the transformer in urban 110kV joint-construct transformer substation. But from the angle of environmental protection， the epikote teeming dry-type transformer and crosslinked cable dry-type transformer should be considered for the urban 110kV joint-construct transformer substation in the future.

關鍵詞：合建變電站；氣體變壓器；環氧樹脂干式變壓器；交聯電纜干式變壓器；防火防爆

Key words： joint-construct transformer substation；gas insulated transformer；epikote dry-type transformer；crosslinked cable dry-type transformer；fire and explosion protection

中圖分類號：TM411+.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0232-03

0 引言

隨著我國經濟社會的不斷發展，城市建設呈現了規模擴大、人口密集、高樓林立的顯著特點，使得城市電網的供電面積越來越大、負荷密度不斷提高。與此同時，同容量變電站的供電半徑越來越小，使得高壓電網必須深入城市中心才能滿足供電要求。目前，北京、上海、廣州等型大城市已經逐步建立了500kV輸變電系統為外環、220kV輸變電系統為縱橫網絡、110kV輸變電系統為基本電能輸送單元的三級高壓輸配電系統。110kV輸變電系統深入城市各個角落，110kV變電站在城區內已呈星羅棋布的布置格局。

但是，城區110kV變電站的建設面臨用地緊張、與城市周圍建筑風格相協調、避免設備運行噪聲對周圍居民區或辦公場所的正常活動造成影響等諸多外部條件限制。在這種情況下，110kV變電站采用全戶內、地下布置、與商用建筑物混合建設的型式（又稱為合建變電站）在工程建設實踐中取得了良好效果，不僅起到了充分利用公共資源、節約占地、降低了工程造價的作用，而且還減少了變電站噪音對周圍環境的影響，解決了與周圍環境及建筑風格相協調的問題。

目前，我國各地110kV全戶內變電站的主變壓器一直以油浸變壓器為主。由于油浸變壓器的主要絕緣材料是一種易燃易爆的礦物油，變壓器的故障有可能會引起變壓器燃燒甚至爆炸。因此，油浸變壓器顯然不宜在城區110kV合建變電站中使用，主變壓器的選型成為此類變電站設計面臨的一大難題。

根據《建筑設計防火規范》（GB 50016-2006）第5.4.1、5.4.2條的相關規定，城區110kV合建變電站的主變壓器不能使用油浸變壓器，只可選用不易燃變壓器。

1 110kV不易燃變壓器概況

根據國內外變壓器的研發和生產使用狀況，目前市場上可選的不易燃變壓器按絕緣介質可分為硅油變壓器、復敏絕緣液介質變壓器、SF6氣體絕緣變壓器、環氧樹脂澆注干式變壓器和交聯電纜干式變壓器等。

相關文獻已對前兩種變壓器的特點作過詳細介紹，現僅列述其不適宜選用的主要原因：

①硅油變壓器：硅油作為絕緣介質雖然難以起火，但在潮濕環境中不適用，且國內硅油售價過高，目前還不能解決大量使用硅油的貨源問題，從而使硅油變壓器的大批量生產和發展受到限制，不宜選用。

②復敏絕緣液介質變壓器：復敏絕緣液是四種鹵化碳化物的混合體，具有不可燃、低毒、傳熱性能好等優點，但其制造工藝復雜、技術門檻高、現貨有限、價格較高，因此復敏絕緣液介質變壓器推廣甚難，不宜選用。

根據以上介紹，結合國內外不可燃變壓器的使用實際情況，從技術和經濟統籌考慮，SF6氣體絕緣變壓器、環氧樹脂澆注干式變壓器和交聯電纜干式變壓器是適用于城區110kV合建變電站的三種不易燃干式變壓器。下面對三種變壓器的技術和經濟特性進行詳細的介紹和分析對比。

2 110kV SF6氣體絕緣變壓器

SF6氣體絕緣變壓器（以下簡稱GIT）是一種結構與油浸變壓器類似、以SF6氣體代替變壓器油作為絕緣和冷卻介質的氣體變壓器。該變壓器采用全密封結構，箱內充有表壓力為0.1～0.6MPa的SF6氣體，器身置于箱中，與外界環境隔離，并有兩層噪音防護。由于采用不燃不爆的SF6氣體替換了易燃易爆的變壓器油，具備110kV合建變電站所要求的不燃、不爆等性能。

目前110kV電壓等級的該類型產品主要由日本幾家公司生產，使用范圍最廣、運行數量最多的此類變壓器也主要位于日本的幾大城市。國內的北京、深圳等城市也有幾臺110kV GIT已投入運行。總體來說，目前該產品依賴進口，設備價格較高，在國內使用業績較少，運行經驗不足。

對于GIT的結構特點及技術特性，在相關文獻中已有諸多論述，本文不再重復。現將其技術經濟方面的優劣勢總結如下：

2.1 GIT優勢

①在本體性能方面，防火、防爆能力強，絕緣性能和抗短路能力強；②在制造及造價方面，在不易燃變壓器中，GIT生產制造技術最為成熟，目前GIT的制造水平可達500kV、300MVA；③在運行及維護方面，GIT在國內應用較少，但在國外已有30多年安全運行的經驗。在不易燃變壓器中，GIT的運行穩定性已得到驗證，且有成功經驗可借鑒；④在布置方面，GIT占地面積與油浸變壓器相當，但無需設置油池、防火墻及其它消防設施，布置簡潔、靈活。且GIT本體不需要油枕，減少了設備本體的高度，相應減少了主變室的高度；⑤在保護方面，相對于其它不易燃變壓器，GIT可設置氣溫、氣壓、繞組溫升等多種保護在線監測系統，故障的早期診斷手段豐富，可預判和預防災難性事故的發生；⑥在故障及恢復方面，GIT性能穩定，故障率低。

2.2 GIT劣勢

①在本體性能方面，由于SF6氣體導熱性能差，GIT過載能力差，冷卻系統及其控制比較復雜；②在制造及造價方面，GIT制作工藝要求高，我國目前沒有GIT制造廠，產品依賴進口，造價較高。根據目前市場行情，同類型的110kV變壓器中，GIT約是油浸變壓器的3～4倍；③在運行及維護方面，GIT完全不同于傳統的油浸變壓器，其本體特別是冷卻系統較為復雜，運維檢修工作復雜、量大，且在國內應用較少，缺乏相關經驗；④在故障及恢復方面，GIT一旦發生故障，雖然原因判斷在積累一定經驗后不難，但事故的處理和消除過程比較復雜；⑤在環境保護方面，SF6氣體屬于溫室氣體，對環境造成污染，使用受到限制。目前，歐洲及其它地區的一些國家，已經對SF6氣體設備實行了懲罰性措施，以對因氣體泄露而造成的SF6氣體污染進行限制和補償。

3 110kV環氧樹脂澆注干式變壓器

環氧樹脂澆注干式變壓器（以下簡稱RCDT）是一種高、低壓繞組均由無氧銅導線繞制而成的干式變壓器。該變壓器僅包括鐵芯和繞組兩大部件，直接暴露在空氣中，結構簡單，不采用其它絕緣和冷卻介質，具備110kV合建變電站所要求的無油、難燃、不爆等性能。

目前110kV電壓等級的該類型產品在國內外僅由山東金曼克集團公司獨家研制和生產，并通過了相關部門的質量檢驗，容量為31.5MVA的該類型產品在山東濟寧某變電站已建成投運，運行狀況良好。根據廠家提供的資料，110kV RCDT的最大容量為63MVA。總體來說，目前該產品生產廠家僅一家，設備價格較高，使用業績較少，運行經驗不足。

對于RCDT的結構特點及技術特性，在相關文獻中已有諸多論述，本文不再重復。現將其技術經濟方面的優缺點總結如下：

3.1 RCDT優勢

①在本體性能方面，防火、防爆能力強，絕緣性能和抗短路能力強；②在制造及造價方面，與其它不易燃變壓器相比，RCDT為國內生產廠家研發和生產，造價可控性較強，未來隨著設備制造技術的不斷成熟和進步，新材料、新工藝的不斷應用，設備造價進一步降低的可能性可期；③在運行及維護方面，RCDT總體結構簡潔，繞組受力均衡，抗短路機械力破壞能力強。發生短路故障后，部件是否損壞可一目了然，無需繁瑣的試驗和檢查。唯一需要維護的項目是本體除塵，一般通過計算機系統控制變壓器的冷卻風機定期開啟即可完成。因此，HJB可稱為免維護產品，節約運行成本；④在布置方面，RCDT無需體積龐大的冷卻裝置和復雜的管路系統，因而體積較同類型的油浸變、GIT小，再加上不需要設置事故油池及消防設施，因此其布置靈活，節約成本；⑤在環境保護方面，HJB除繞組用到玻璃纖維、樹脂外，其余部件均為金屬材料。在設備運行的自然環境下，不會產生任何有害物質，因此對環境基本不造成污染，屬于環保型產品。

3.2 RCDT劣勢

①在制造及造價方面，目前RCDT制造水平為110kV、63MVA，且由我國山東金曼克集團公司獨家研發和生產，其技術成熟度較低，造價較高。根據廠家反饋的資料，同類型的110kV變壓器中，RCDT約是油浸變壓器的2.5～3倍；②在運行及維護方面，受制于國內唯一的生產廠家，RCDT應用案例少，其運行可靠性和穩定性需要進一步驗證，運行和維護經驗尚需進一步積累和總結；③在保護方面，RCDT可設置的在線監測項目較少，僅為繞組過熱保護，故其故障的早期診斷手段不足；④在故障及恢復方面，RCDT的運行可靠性和穩定性需要進一步驗證，且RCDT與干式電抗器類似，設備經環氧樹脂固化成型，加上早期故障判斷手段不足，一旦發生故障，可能會導致其不可修復。

4 110kV交聯電纜干式變壓器

交聯電纜干式變壓器（以下簡稱XCDT）是一種高、低壓繞組均由交聯聚乙烯電纜繞制而成的干式變壓器。結構與RCDT類似，主要包括鐵芯和繞組兩大部件，直接暴露在空氣中，結構簡單，不使用其它絕緣和冷卻介質，同樣具備110kV合建變電站所要求的阻燃、不爆、環保等性能。

目前此類型變壓器僅由瑞典ABB研發和生產，制造水平為110～500kV，容量可達數十兆伏安，且已有幾臺設備在瑞典投入商業運行。但因其散熱性能較差，且價格是相同容量油浸變壓器的5倍以上，推廣使用較為困難，國內尚無使用先例。未來隨著技術的成熟和設備價格的下降，該變壓器具有廣泛的應用前景。

4.1 XCDT優勢

①在本體性能方面，防火、防爆能力強。繞組采用交聯電纜，絕緣性能好，不易損壞。繞組本身短路阻抗較大，抗突發短路能力強。負載損耗小，節能優勢明顯。②在制造及造價方面，與RCDT相比，XCDT電壓等級高、容量大，目前制造水平為110～500kV，容量可達數十兆伏安。相關產品已在瑞典投入商業運行，運行可靠性和穩定性較RCDT成熟。③在運行及維護方面，與RCDT類似，XCDT總體結構簡潔、部件少，繞組采用成熟的XLPE絕緣電纜技術，故較常規變壓器發生故障的概率低，可靠性高。且發生短路故障后，部件是否損壞可一目了然，無需繁瑣的試驗和檢查。唯一需要維護的項目是本體除塵，一般通過計算機系統控制變壓器的冷卻風機定期開啟即可完成。因此，XCDT亦可稱為免維護產品，節約運行成本。④在布置方面，XCDT設備本體體積與油浸變相近，但其不需要設置事故油池及防火設施等，因而布置靈活，節約成本。⑤在環境保護方面，XCDT繞組采用電纜，減少了泄漏電場，與其它變壓器相比，對周圍的電磁污染較低。XCDT本體除繞組電纜采用了難燃材料外，其余部分均為金屬部件，即使發生故障，也只會產生少量CO2和CO，無有毒氣體，因此對環境基本不造成污染，屬于環保型產品。另外，變壓器本體退役后可完全分離，部件回收率高，廢棄部件處理方便。

4.2 XCDT劣勢

①在本體性能方面，散熱性能差。②在制造及造價方面，XCDT目前僅由瑞典ABB研發和生產，設備價格較高。根據目前了解的情況，同類型的110kV變壓器中，XCDT是油浸變壓器的5倍以上。③在運行及維護方面，由于XCDT散熱性能較差，設備價格較高，導致其在國內沿無應用案例。與RCDT相同，其運行可靠性和穩定性同樣需要進一步驗證，運行和維護經驗尚需進一步積累和總結。④在保護方面，與RCDT相同，XCDT可設置的在線監測項目較少，僅為繞組過熱保護，其故障的早期診斷手段不足。⑤在故障及恢復方面，經瑞典的運行案例證明，XCDT具有較高的運行可靠性和穩定性，但在國內尚無使用安全，其運行可靠性和穩定性需要進一步驗證。XCDT早期故障判斷手段不足，一旦發生故障，其是否可修復還未有定論。

5 選型案例

廣州市區某110kV變電站因站址用地限制采用與商業樓合建的形式。變電站布置在地下二層至四層，地下一層為停車場，地上部分為商業建筑。110kV主變壓器容量為63MVA。目前該變電站處于施工圖階段。主變壓器選型主要過程如下：

①在可行性研究階段，應消防管理部門要求，并根據《建筑設計防火規范》（GB 50016-2006）相關規定，本站110kV主變壓器需選用不易燃變壓器。②經過調研北京、上海、深圳等城市的110kV不易燃變壓器使用狀況，GIT投運數量多，運行穩定； RCDT在部分省地城市有投運案例，但數量少，且容量為40MVA，容量為63MVA的RCDT僅處于掛網運行階段；XCDT僅國外400kV產品有運行案例，110kV的XCDT相關產品未有運行案例。③通過市場調研， GIT和RCDT在國內有可靠供應商，但數量較少；而XCDT由于應用范圍原因，國內無可靠供應商。通過向供應商詢價，目前GIT及RCDT的價格均為常規油浸變壓器的3～4倍。④在變電站設計適應性方面，三種型式的110kV變壓器與常規的油浸變壓器尺寸及安裝要求相當，均適用于本變電站。

經過上述工作內容，最終因技術原因選擇使用GIT。變壓器室尺寸與常規油浸變壓器室尺寸相同，按11×9m考慮，不設消防設施及事故油池。在價格方面，主變壓器可行性研究估算按1400萬/臺考慮，是常規油浸變壓器350萬的4倍。需要說明的是，雖然主變壓器價格較常規設備高出很多，但是本變電站因采用合建型式而節省的征地費用遠遠高出此費用，因此總體比較，本變電站造價要低于常規變電站。具體的比較及結論在相關論文中有相應介紹，本文不再論述。

6 結論

①GIT、RCDT、XCDT是適用于城區110kV合建變電站的三種防火、防爆變壓器類型。但三種變壓器的設備價格都比常規油浸式變壓器要高，且最低是2.5倍，最高是5倍以上。另外，三種變壓器在國內運行案例較少，運行和維護的經驗不足。

②GIT研發和生產技術最為成熟，運行的可靠性和穩定性也得到了驗證，且可設置多種保護和在線監測系統，故障早期診斷手段也比較豐富，可預防災難性故障的發生。但其缺點是冷卻系統復雜，檢修維護工作量大，國內缺乏相關經驗。同時，SF6屬于溫室氣體，對環境危害大，歐洲等部分地區國家已對SF6設備的使用實行了懲罰性措施。另外，此設備目前尚未國產，價格較高。

③RCDT與XCDT類似，產品研發和生產技術不成熟，運行的可靠性和穩定性也需要進一步驗證。同時，兩類產品的保護和在線監測系統單一，不能對設備故障進行預判，災難性故障的發生機率較高。但上述兩種變壓器均屬于免維護產品，且對環境不造成任何污染。從110kV設備本身的情況來看，待技術成熟后，其可靠性和穩定性均不是主要矛盾，因此，從長遠來看，RCDT、XCDT比GIT有更廣闊的應用前景。

④110kV級的RCDT與XCDT無論是結構原理，還是實際性能，都非常接近。兩者相比，RCDT的優勢在于散熱性能比XCDT要好；XCDT的優勢在于其故障或退役后，設備的回收率較高，廢棄部件處理方便。另外，XCDT的價格較RCDT高，是其的2倍左右。

⑤綜上所述，從產品成熟程度和可靠性角度考慮，目前城區110kV合建變電站宜選用SF6氣體變壓器（GIT）。從環境保護角度考慮，未來城區110kV合建變電站應重點考慮選用環氧樹脂澆注干式變壓器（RCDT）和交聯電纜干式變壓器（XCDT）。

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