城区110kV合建变电站变压器选型探讨

王俊杰 杨怀栋 常修猛

摘要：根据城区110kV合建变电站的防火、防爆要求，提出SF6气体变压器、环氧树脂浇注干式变压器和交联电缆干式变压器是三种合适的变压器型式。通过技术特性的分析和比较，SF6气体变压器产品成熟程度和可靠性最高，目前宜作为城区110kV合建变电站变压器的首先。但从环境保护角度考虑，未来城区110kV合建变电站应重点考虑选用环氧树脂浇注干式变压器和交联电缆干式变压器。

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.

關键词：合建变电站；气体变压器；环氧树脂干式变压器；交联电缆干式变压器；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

中图分类号：TM411+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0232-03

0 引言

随着我国经济社会的不断发展，城市建设呈现了规模扩大、人口密集、高楼林立的显著特点，使得城市电网的供电面积越来越大、负荷密度不断提高。与此同时，同容量变电站的供电半径越来越小，使得高压电网必须深入城市中心才能满足供电要求。目前，北京、上海、广州等型大城市已经逐步建立了500kV输变电系统为外环、220kV输变电系统为纵横网络、110kV输变电系统为基本电能输送单元的三级高压输配电系统。110kV输变电系统深入城市各个角落，110kV变电站在城区内已呈星罗棋布的布置格局。

但是，城区110kV变电站的建设面临用地紧张、与城市周围建筑风格相协调、避免设备运行噪声对周围居民区或办公场所的正常活动造成影响等诸多外部条件限制。在这种情况下，110kV变电站采用全户内、地下布置、与商用建筑物混合建设的型式（又称为合建变电站）在工程建设实践中取得了良好效果，不仅起到了充分利用公共资源、节约占地、降低了工程造价的作用，而且还减少了变电站噪音对周围环境的影响，解决了与周围环境及建筑风格相协调的问题。

目前，我国各地110kV全户内变电站的主变压器一直以油浸变压器为主。由于油浸变压器的主要绝缘材料是一种易燃易爆的矿物油，变压器的故障有可能会引起变压器燃烧甚至爆炸。因此，油浸变压器显然不宜在城区110kV合建变电站中使用，主变压器的选型成为此类变电站设计面临的一大难题。

根据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006）第5.4.1、5.4.2条的相关规定，城区110kV合建变电站的主变压器不能使用油浸变压器，只可选用不易燃变压器。

1 110kV不易燃变压器概况

根据国内外变压器的研发和生产使用状况，目前市场上可选的不易燃变压器按绝缘介质可分为硅油变压器、复敏绝缘液介质变压器、SF6气体绝缘变压器、环氧树脂浇注干式变压器和交联电缆干式变压器等。

相关文献已对前两种变压器的特点作过详细介绍，现仅列述其不适宜选用的主要原因：

①硅油变压器：硅油作为绝缘介质虽然难以起火，但在潮湿环境中不适用，且国内硅油售价过高，目前还不能解决大量使用硅油的货源问题，从而使硅油变压器的大批量生产和发展受到限制，不宜选用。

②复敏绝缘液介质变压器：复敏绝缘液是四种卤化碳化物的混合体，具有不可燃、低毒、传热性能好等优点，但其制造工艺复杂、技术门槛高、现货有限、价格较高，因此复敏绝缘液介质变压器推广甚难，不宜选用。

根据以上介绍，结合国内外不可燃变压器的使用实际情况，从技术和经济统筹考虑，SF6气体绝缘变压器、环氧树脂浇注干式变压器和交联电缆干式变压器是适用于城区110kV合建变电站的三种不易燃干式变压器。下面对三种变压器的技术和经济特性进行详细的介绍和分析对比。

2 110kV SF6气体绝缘变压器

SF6气体绝缘变压器（以下简称GIT）是一种结构与油浸变压器类似、以SF6气体代替变压器油作为绝缘和冷却介质的气体变压器。该变压器采用全密封结构，箱内充有表压力为0.1～0.6MPa的SF6气体，器身置于箱中，与外界环境隔离，并有两层噪音防护。由于采用不燃不爆的SF6气体替换了易燃易爆的变压器油，具备110kV合建变电站所要求的不燃、不爆等性能。

目前110kV电压等级的该类型产品主要由日本几家公司生产，使用范围最广、运行数量最多的此类变压器也主要位于日本的几大城市。国内的北京、深圳等城市也有几台110kV GIT已投入運行。总体来说，目前该产品依赖进口，设备价格较高，在国内使用业绩较少，运行经验不足。

对于GIT的结构特点及技术特性，在相关文献中已有诸多论述，本文不再重复。现将其技术经济方面的优劣势总结如下：

2.1 GIT优势

①在本体性能方面，防火、防爆能力强，绝缘性能和抗短路能力强；②在制造及造价方面，在不易燃变压器中，GIT生产制造技术最为成熟，目前GIT的制造水平可达500kV、300MVA；③在运行及维护方面，GIT在国内应用较少，但在国外已有30多年安全运行的经验。在不易燃变压器中，GIT的运行稳定性已得到验证，且有成功经验可借鉴；④在布置方面，GIT占地面积与油浸变压器相当，但无需设置油池、防火墙及其它消防设施，布置简洁、灵活。且GIT本体不需要油枕，减少了设备本体的高度，相应减少了主变室的高度；⑤在保护方面，相对于其它不易燃变压器，GIT可设置气温、气压、绕组温升等多种保护在线监测系统，故障的早期诊断手段丰富，可预判和预防灾难性事故的发生；⑥在故障及恢复方面，GIT性能稳定，故障率低。

2.2 GIT劣势

①在本体性能方面，由于SF6气体导热性能差，GIT过载能力差，冷却系统及其控制比较复杂；②在制造及造价方面，GIT制作工艺要求高，我国目前没有GIT制造厂，产品依赖进口，造价较高。根据目前市场行情，同类型的110kV变压器中，GIT约是油浸变压器的3～4倍；③在运行及维护方面，GIT完全不同于传统的油浸变压器，其本体特别是冷却系统较为复杂，运维检修工作复杂、量大，且在国内应用较少，缺乏相关经验；④在故障及恢复方面，GIT一旦发生故障，虽然原因判断在积累一定经验后不难，但事故的处理和消除过程比较复杂；⑤在环境保护方面，SF6气体属于温室气体，对环境造成污染，使用受到限制。目前，欧洲及其它地区的一些国家，已经对SF6气体设备实行了惩罚性措施，以对因气体泄露而造成的SF6气体污染进行限制和补偿。

3 110kV环氧树脂浇注干式变压器

环氧树脂浇注干式变压器（以下简称RCDT）是一种高、低压绕组均由无氧铜导线绕制而成的干式变压器。该变压器仅包括铁芯和绕组两大部件，直接暴露在空气中，结构简单，不采用其它绝缘和冷却介质，具备110kV合建变电站所要求的无油、难燃、不爆等性能。

目前110kV电压等级的该类型产品在国内外仅由山东金曼克集团公司独家研制和生产，并通过了相关部门的质量检验，容量为31.5MVA的该类型产品在山东济宁某变电站已建成投运，运行状况良好。根据厂家提供的资料，110kV RCDT的最大容量为63MVA。总体来说，目前该产品生产厂家仅一家，设备价格较高，使用业绩较少，运行经验不足。

对于RCDT的结构特点及技术特性，在相关文献中已有诸多论述，本文不再重复。现将其技术经济方面的优缺点总结如下：

3.1 RCDT优势

①在本体性能方面，防火、防爆能力强，绝缘性能和抗短路能力强；②在制造及造价方面，与其它不易燃变压器相比，RCDT为国内生产厂家研发和生产，造价可控性较强，未来随着设备制造技术的不断成熟和进步，新材料、新工艺的不断应用，设备造价进一步降低的可能性可期；③在运行及维护方面，RCDT总体结构简洁，绕组受力均衡，抗短路机械力破坏能力强。发生短路故障后，部件是否损坏可一目了然，无需繁琐的试验和检查。唯一需要维护的项目是本体除尘，一般通过计算机系统控制变压器的冷却风机定期开启即可完成。因此，HJB可称为免维护产品，节约运行成本；④在布置方面，RCDT无需体积庞大的冷却装置和复杂的管路系统，因而体积较同类型的油浸变、GIT小，再加上不需要设置事故油池及消防设施，因此其布置灵活，节约成本；⑤在环境保护方面，HJB除绕组用到玻璃纤维、树脂外，其余部件均为金属材料。在设备运行的自然环境下，不会产生任何有害物质，因此对环境基本不造成污染，属于环保型产品。

3.2 RCDT劣势

①在制造及造价方面，目前RCDT制造水平为110kV、63MVA，且由我国山东金曼克集团公司独家研发和生产，其技术成熟度较低，造价较高。根据厂家反馈的资料，同类型的110kV变压器中，RCDT约是油浸变压器的2.5～3倍；②在运行及维护方面，受制于国内唯一的生产厂家，RCDT应用案例少，其运行可靠性和稳定性需要进一步验证，运行和维护经验尚需进一步积累和总结；③在保护方面，RCDT可设置的在线监测项目较少，仅为绕组过热保护，故其故障的早期诊断手段不足；④在故障及恢复方面，RCDT的运行可靠性和稳定性需要进一步验证，且RCDT与干式电抗器类似，设备经环氧树脂固化成型，加上早期故障判断手段不足，一旦发生故障，可能会导致其不可修复。

4 110kV交联电缆干式变压器

交联电缆干式变压器（以下简称XCDT）是一种高、低压绕组均由交联聚乙烯电缆绕制而成的干式变压器。结构与RCDT类似，主要包括铁芯和绕组两大部件，直接暴露在空气中，结构简单，不使用其它绝缘和冷却介质，同样具备110kV合建变电站所要求的阻燃、不爆、环保等性能。

目前此类型变压器仅由瑞典ABB研发和生产，制造水平为110～500kV，容量可达数十兆伏安，且已有几台设备在瑞典投入商业运行。但因其散热性能较差，且价格是相同容量油浸变压器的5倍以上，推广使用较为困难，国内尚无使用先例。未来随着技术的成熟和设备价格的下降，该变压器具有广泛的应用前景。

4.1 XCDT优势

①在本体性能方面，防火、防爆能力强。绕组采用交联电缆，绝缘性能好，不易损坏。绕组本身短路阻抗较大，抗突发短路能力强。负载损耗小，节能优势明显。②在制造及造价方面，与RCDT相比，XCDT电压等级高、容量大，目前制造水平为110～500kV，容量可达数十兆伏安。相关产品已在瑞典投入商业运行，运行可靠性和稳定性较RCDT成熟。③在运行及维护方面，与RCDT类似，XCDT总体结构简洁、部件少，绕组采用成熟的XLPE绝缘电缆技术，故较常规变压器发生故障的概率低，可靠性高。且发生短路故障后，部件是否损坏可一目了然，无需繁琐的试验和检查。唯一需要维护的项目是本体除尘，一般通过计算机系统控制变压器的冷却风机定期开启即可完成。因此，XCDT亦可称为免维护产品，节约运行成本。④在布置方面，XCDT设备本体体积与油浸变相近，但其不需要设置事故油池及防火设施等，因而布置灵活，节约成本。⑤在环境保护方面，XCDT绕组采用电缆，减少了泄漏电场，与其它变压器相比，对周围的电磁污染较低。XCDT本体除绕组电缆采用了难燃材料外，其余部分均为金属部件，即使发生故障，也只会产生少量CO2和CO，无有毒气体，因此对环境基本不造成污染，属于环保型产品。另外，变压器本体退役后可完全分离，部件回收率高，废弃部件处理方便。

4.2 XCDT劣势

①在本体性能方面，散热性能差。②在制造及造价方面，XCDT目前仅由瑞典ABB研发和生产，设备价格较高。根据目前了解的情况，同类型的110kV变压器中，XCDT是油浸变压器的5倍以上。③在运行及维护方面，由于XCDT散热性能较差，设备价格较高，导致其在国内沿无应用案例。与RCDT相同，其运行可靠性和稳定性同样需要进一步验证，运行和维护经验尚需进一步积累和总结。④在保护方面，与RCDT相同，XCDT可设置的在线监测项目较少，仅为绕组过热保护，其故障的早期诊断手段不足。⑤在故障及恢复方面，经瑞典的运行案例证明，XCDT具有较高的运行可靠性和稳定性，但在国内尚无使用安全，其运行可靠性和稳定性需要进一步验证。XCDT早期故障判断手段不足，一旦发生故障，其是否可修复还未有定论。

5 选型案例

广州市区某110kV变电站因站址用地限制采用与商业楼合建的形式。变电站布置在地下二层至四层，地下一层为停车场，地上部分为商业建筑。110kV主变压器容量为63MVA。目前该变电站处于施工图阶段。主变压器选型主要过程如下：

①在可行性研究阶段，应消防管理部门要求，并根据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006）相关规定，本站110kV主变压器需选用不易燃变压器。②经过调研北京、上海、深圳等城市的110kV不易燃变压器使用状况，GIT投运数量多，运行稳定； RCDT在部分省地城市有投运案例，但数量少，且容量为40MVA，容量为63MVA的RCDT仅处于挂网运行阶段；XCDT仅国外400kV产品有运行案例，110kV的XCDT相关产品未有运行案例。③通过市场调研， GIT和RCDT在国内有可靠供应商，但数量较少；而XCDT由于应用范围原因，国内无可靠供应商。通过向供应商询价，目前GIT及RCDT的价格均为常规油浸变压器的3～4倍。④在变电站设计适应性方面，三种型式的110kV变压器与常规的油浸变压器尺寸及安装要求相当，均适用于本变电站。

经过上述工作内容，最终因技术原因选择使用GIT。变压器室尺寸与常规油浸变压器室尺寸相同，按11×9m考虑，不设消防设施及事故油池。在价格方面，主变压器可行性研究估算按1400万/台考虑，是常规油浸变压器350万的4倍。需要说明的是，虽然主变压器价格较常规设备高出很多，但是本变电站因采用合建型式而节省的征地费用远远高出此费用，因此总体比较，本变电站造价要低于常规变电站。具体的比较及结论在相关论文中有相应介绍，本文不再论述。

6 结论

①GIT、RCDT、XCDT是适用于城区110kV合建变电站的三种防火、防爆变压器类型。但三种变压器的设备价格都比常规油浸式变压器要高，且最低是2.5倍，最高是5倍以上。另外，三种变压器在国内运行案例较少，运行和维护的经验不足。

②GIT研发和生产技术最为成熟，运行的可靠性和稳定性也得到了验证，且可设置多种保护和在线监测系统，故障早期诊断手段也比较丰富，可预防灾难性故障的发生。但其缺点是冷却系统复杂，检修维护工作量大，国内缺乏相关经验。同时，SF6属于温室气体，对环境危害大，欧洲等部分地区国家已对SF6设备的使用实行了惩罚性措施。另外，此设备目前尚未国产，价格较高。

③RCDT与XCDT类似，产品研发和生产技术不成熟，运行的可靠性和稳定性也需要进一步验证。同时，两类产品的保护和在线监测系统单一，不能对设备故障进行预判，灾难性故障的發生机率较高。但上述两种变压器均属于免维护产品，且对环境不造成任何污染。从110kV设备本身的情况来看，待技术成熟后，其可靠性和稳定性均不是主要矛盾，因此，从长远来看，RCDT、XCDT比GIT有更广阔的应用前景。

④110kV级的RCDT与XCDT无论是结构原理，还是实际性能，都非常接近。两者相比，RCDT的优势在于散热性能比XCDT要好；XCDT的优势在于其故障或退役后，设备的回收率较高，废弃部件处理方便。另外，XCDT的价格较RCDT高，是其的2倍左右。

⑤综上所述，从产品成熟程度和可靠性角度考虑，目前城区110kV合建变电站宜选用SF6气体变压器（GIT）。从环境保护角度考虑，未来城区110kV合建变电站应重点考虑选用环氧树脂浇注干式变压器（RCDT）和交联电缆干式变压器（XCDT）。

参考文献：

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