SF6氣體變壓器布置方案的研究

殷雪莉

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

SF6氣體變壓器布置方案的研究

殷雪莉

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

為適應(yīng)城網(wǎng)及高層建筑電氣設(shè)備小型化、無油化、安全可靠等要求，近些年來，SF6氣體變壓器逐漸在城市110kV及以下電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用。本文從分析氣變的特點(diǎn)、與油變的差異等方面入手，結(jié)合氣變的消防、通風(fēng)、降噪要求，具體分析了氣體變壓器的布置方案，為今后高電壓、大容量氣體變壓器在變電站的應(yīng)用提供了良好的設(shè)計(jì)思路。

SF6氣體變壓器; 布置方式；消防；通風(fēng)；降噪措施

1　綜述

1.1特點(diǎn)

SF6氣體變壓器采用SF6 氣體充當(dāng)絕緣介質(zhì)和冷卻介質(zhì)，由于SF6氣體絕緣變壓器使用絕緣性能優(yōu)良的SF6氣體代替變壓器油, 使得整個(gè)變壓器完全無油化，與傳統(tǒng)的油浸式變壓器相比具有阻燃阻爆、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、損耗低、壽命長、少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于人口稠密，場地狹窄的市區(qū)變電站或地下變電站。

1.2與傳統(tǒng)油變差異

SF6氣體變壓器與傳統(tǒng)油浸式變壓器有以下差異。

1.2.1冷卻系統(tǒng)

氣體變壓器采用SF6氣體作為冷卻介質(zhì),因其密度僅為變壓器油的1/60左右(當(dāng)氣體壓力為0.22 MPa時(shí)) ,因此為了獲得與油浸變壓器同樣的冷卻特性，氣體變壓器中不僅設(shè)置了片式散熱器及風(fēng)扇，同時(shí)還增加了氣泵進(jìn)行氣體動(dòng)力循環(huán)。

1.2.2絕緣結(jié)構(gòu)

由于氣變的電場分布很不均勻，為改善電場分布，防止局部放電，會(huì)在繞組端部設(shè)置良好的靜電屏蔽，必要時(shí)在螺釘、拐角處加上屏蔽罩。另外，氣體變壓器采用PET薄膜作為電磁線的包絕緣，這種材料能夠承受120℃或130℃的溫度，比普通油浸式變壓器中紙包絕緣電磁線的耐受溫度提高了15℃。

1.2.3其它相關(guān)組件

(1) 箱體

為獲得更好的絕緣和冷卻特性，氣變的氣箱需承受較高的壓力強(qiáng)度。通常，氣箱采用橢圓形或圓柱形罐。

(2) 密封性

氣體變壓器對(duì)密封性能要求很高，為防止箱體內(nèi)的SF6氣體泄漏和外界水份向箱體內(nèi)滲透，一般要求氣體年泄漏率小于5‰。

(3) 有載分接開關(guān)

氣體變壓器采用的是真空有載調(diào)壓開關(guān)，并安裝于獨(dú)立的氣室內(nèi)，真空開關(guān)的使用壽命長，電壽命可達(dá)20萬次，機(jī)械壽命可達(dá)80萬次，能連續(xù)運(yùn)行30年免維護(hù)。

(4)壓力突變繼電器

壓力突變繼電器相當(dāng)于油浸變壓器的瓦斯繼電器，它可根據(jù)測得的氣體壓力突變率來判斷是否存在內(nèi)部故障，并給出跳閘命令，可以實(shí)現(xiàn)變壓器氣室內(nèi)部一個(gè)微小的壓力變化在很短的時(shí)間內(nèi)可靠的動(dòng)作。

(5)氣體密度繼電器

氣體密度繼電器也就是氣體溫度補(bǔ)償壓力開關(guān)，用于監(jiān)測變壓器本體氣箱、電纜氣箱和氣體絕緣有載開關(guān)，帶有報(bào)警和跳閘接點(diǎn)。

(6)無油枕

氣體絕緣變壓器在運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部的SF6氣體隨著溫度變化膨脹和收縮時(shí)，會(huì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓?，因此不需要設(shè)置油枕。

2　布置方案

2.1冷卻裝置的布置方式及比較

氣體變壓器冷卻裝置的布置方式十分靈活，因SF6氣體的密度僅為絕緣油密度的1/60，且黏性也較低，因此冷卻管中的壓力降就小的多，這使冷卻器可靈活布置于各個(gè)方位，可以水平安裝，也可以脫離變壓器垂直安裝。同時(shí)SF6氣體在0.196 MPa、20℃時(shí), 重量僅為油重的1/70。所以, SF6 氣體絕緣變壓器的重量可比油變的重量減輕30%以上。目前，氣體變壓器冷卻裝置的布置可采用分開布置，也可采用就地布置。

(1)分開布置方案：SF6氣體變壓器本體與散熱器分別布置在兩層，通常是將散熱器布置在另外一個(gè)通風(fēng)條件良好的空間，本體與散熱器間通過有一定長度的氣體循環(huán)管道連接，變壓器本體上部安裝循環(huán)泵，當(dāng)溫度達(dá)到額定值時(shí)啟動(dòng)循環(huán)泵加速氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)，同時(shí)由于散熱器布置于更加良好的通風(fēng)環(huán)境中，因此，這種方式能夠更好地滿足SF6氣體變壓器的散熱冷卻要求，從而達(dá)到更好的散熱效果。這種分散布置的方式增加了SF6氣體循環(huán)管道的長度，增加了造價(jià)；此外，運(yùn)維人員需要在兩個(gè)可能有一定距離的空間進(jìn)行維護(hù)，不如就地方式方便；還有一個(gè)更為重要的問題就是因?yàn)镾F6氣體變壓器的本體和散熱器分別置于兩個(gè)相距有一定距離的空間，因此很難置于同一個(gè)基礎(chǔ)上面，給本體和散熱器之間的SF6氣體循環(huán)管道這樣嚴(yán)格的剛性連接帶來比較大的麻煩，需要考慮采用一些專門的措施如增設(shè)伸縮節(jié)等進(jìn)行處理。位于世博會(huì)國家電網(wǎng)館地下一層的“能量之心”就是這種布置方式，氣體變壓器分開布置方式見圖1。

圖1　氣體變壓器分開布置

(2)就地布置方案：SF6氣體變壓器本體與散熱器采用側(cè)面水平分開就地布置，就地布置是把變壓器本體與散熱器布置在同一封閉空間內(nèi)，這種布置方式比較簡單，連接的氣體管道短，節(jié)省空間，維護(hù)便利，變壓器本體與散熱器可以置于同一基礎(chǔ)上，不會(huì)產(chǎn)生差異沉降。但是由于受變壓器室所處的位置和空間的限制，難以形成良好的通風(fēng)環(huán)境散熱效果比較差，這使得變壓器室內(nèi)的溫度升高，運(yùn)維條件變差。由于SF6氣體變壓器對(duì)散熱冷卻的要求比較高，因此通常需要在室內(nèi)增加通風(fēng)設(shè)計(jì)以加強(qiáng)散熱效果。內(nèi)蒙古呼和浩特新華變電站的SF6氣體變壓器的冷卻器就是采用這種安放方式，氣體變壓器就地布置方式見圖2。

圖2　氣體變壓器就地布置

2.2不同出線方式下的布置方案

氣體變壓器常用于戶內(nèi)或地下變電站，尤其是附建式變電站，其出線方式與普通油浸式變壓器相同，有架空出線、GIL出線、電纜出線三種方式。

(1)架空出線方式：變壓器出線套管采用SF6/空氣套管的結(jié)構(gòu)，變壓器與設(shè)備采用軟導(dǎo)線或管母線連接，具體見圖3。

(2) GIL出線方式：變壓器出線套管采用SF6/ SF6套管的結(jié)構(gòu)，變壓器與GIS設(shè)備間采用GIL管道連接，具體見圖3。

(3)電纜出線方式：變壓器出線套管采用SF6/ 電纜終端的結(jié)構(gòu)，變壓器與設(shè)備間采用電纜連接，具體見圖3。

圖3　氣體變壓器出線方式

2.2.1采用架空出線方式的布置方案

架空出線方式是指變壓器與設(shè)備間采用軟導(dǎo)線連接，因此需考慮導(dǎo)體電氣距離的要求，這種出線方式需要的布置空間偏大，變壓器上方空間用于跳接引線無法充分利用，但變壓器與設(shè)備間有明顯的斷開點(diǎn)，各類試驗(yàn)相對(duì)簡單，檢修和試驗(yàn)都比較方便，從投資角度來看單位投資最經(jīng)濟(jì)，因此這種出線方式是目前戶內(nèi)變電站最常用的出線方式。

圖4　架空出線布置方案

2.2.2采用GIL出線方式的布置方案

GIL出線方式是指變壓器與設(shè)備間采用GIL管道連接，該出線方式，不出現(xiàn)裸露的導(dǎo)體和引線，無需跨線跳接也不需要電纜頭等附屬設(shè)備，可有效壓縮變壓器上層空間，降低建筑造價(jià)，此外采用GIL出線布置靈活緊湊，可靠性高，在戶內(nèi)GIS站中與GIS設(shè)備連接較方便簡單，但因無明顯的斷開點(diǎn)各類試驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，檢修不便。并且，由于GIL管道是剛性連接，對(duì)土建及施工安裝的要求較高。從投資角度來看，其綜合造價(jià)遠(yuǎn)高于架空出線方式，與電纜出線相比較在連接長度不超過14 m時(shí)可以考慮采用這種方式。

圖5　GIL出線布置方案

2.2.3采用電纜出線方式的布置方案

電纜出線方式是指變壓器與設(shè)備間采用電纜連接，這種連接方式，出線簡單方便，布置靈活緊湊，相對(duì)GIL管道連接，布線更加容易，但與GIS設(shè)備連接時(shí)需要設(shè)置GIS終端，價(jià)格相對(duì)較高，在連接長度超過14 m時(shí)考慮這種方式是經(jīng)濟(jì)的。受國內(nèi)制造廠家工藝水平及施工安裝水平的影響，110kV以上采用電纜出線的可靠性不及架空出線，但在戶內(nèi)受場地限制時(shí)，尤其是在220kV以下的地下變電站或附建式變電站中這種出線方式的應(yīng)用是最廣泛的。

2.2.4方案比較

幾種方案比較見表1。

圖6　電纜出線布置方案

2.2.5工程實(shí)例

110kV深圳草埔變電站是廣東省內(nèi)第一座全地下變電站，位于深圳市負(fù)荷中心，布吉聯(lián)檢站草埔立交橋東端環(huán)形匝道場地內(nèi)。變電站建設(shè)規(guī)模見表2。

表2　建設(shè)規(guī)模

－6.3 m層為二次設(shè)備室，預(yù)留電容器、濾波器室，檢修間，氣體變壓器、GIS上空，排風(fēng)機(jī)房，負(fù)一層電氣平面布置圖見圖7。

－11.8 m層為氣體變壓器室、110kVGIS室、35kV配電裝置室、接地變室、氣瓶間、消防工具間、安全工具間、備品備件間。負(fù)二層電氣平面布置圖見圖8。

-14.0 m層為廢水泵房、絕緣工具間、工具間、電纜夾層。負(fù)三層電氣平面布置圖見圖9。

該站的110kV SF6氣體變壓器為三相雙卷強(qiáng)迫風(fēng)冷低損耗有載調(diào)壓變壓器，容量40 MVA，布置于地下二層的主變室內(nèi)。本體及冷卻裝置采用就地布置方案，為加強(qiáng)散熱效果，地下一層設(shè)專用排風(fēng)機(jī)房，地面留有通風(fēng)孔。由于110kV GIS和35kV屏分別布置于變壓器兩側(cè)的設(shè)備房間內(nèi)，高低壓側(cè)進(jìn)線長度超過14 m，同時(shí)為方便走線，站內(nèi)考慮采用更加靈活方便的電纜出線，電纜出線斷面見圖10。變電站總建筑面積3383.5 m2，其中地上135.7 m2，地下3247.8 m2。

圖7　負(fù)一層電氣平面布置圖

圖8　負(fù)二層電氣平面布置圖

圖9　負(fù)三層電氣平面布置圖

圖10　氣體變壓器電纜出線斷面圖

由于本站氣體變壓器布置于－11.8m層，為滿足設(shè)備的吊裝需求及后期的運(yùn)行檢修，本站在地面一層環(huán)形路邊氣體變壓器正上方分別設(shè)置了兩個(gè)4 m×8.2 m吊裝口，供變壓器設(shè)備吊裝使用，變壓器室內(nèi)還設(shè)置了5 t的行吊，方便變壓器零部件的吊裝。

SF6氣體較空氣重一般往室內(nèi)空間低層積聚，造成局部缺氧。尤其是有地下電纜層、地下電纜溝的情況下，由于空氣流通更緩慢，窒息危險(xiǎn)就更大，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF6氣體泄漏，本站采有兩種方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF6氣體泄漏。一是在SF6氣體變壓器本體上安裝的密度繼電器，二是在SF6氣體變壓器附近安裝SF6氣體監(jiān)測傳感器。站內(nèi)還設(shè)置了多處進(jìn)風(fēng)道和通風(fēng)機(jī)房，當(dāng)發(fā)生SF6氣體泄漏時(shí)，一方面加強(qiáng)通風(fēng)稀釋環(huán)境中SF6氣體濃度，另一方面進(jìn)行換氣后，增加氧含量。另外，及時(shí)發(fā)出SF6氣體泄漏報(bào)警信號(hào)，也能使工作人員及時(shí)采取有效措施排除故障，防止盲目進(jìn)入事故現(xiàn)場保障人員安全。

為了避免SF6氣體泄露，采用SF6氣體回收裝置，可以在全封閉的狀況下實(shí)現(xiàn)六氟化硫氣體的回收、儲(chǔ)存、凈化和沖罐作業(yè)，避免有毒有害物質(zhì)的泄露。國內(nèi)常用的SF6回收裝置為SF6氣體處理車，它具有SF6氣體回收、干燥、抽真空、凈化、充氣等功能。

2.3SF6氣體變壓器室的空間布置要求

1.2.1 不同在制品解吸濕特性試驗(yàn) 試驗(yàn)環(huán)境溫濕度的選擇要綜合考慮在制品的特性和卷煙生產(chǎn)環(huán)境溫濕度的要求，各種在制品環(huán)境溫濕度的試驗(yàn)方案如下，溫度設(shè)定：25℃，濕度設(shè)定：40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%。 選擇一種在制品，按照其溫濕度設(shè)定要求，首先選擇溫度，濕度設(shè)定從最高到最低，然后從最低到最高，測量并記錄其在不同濕度條件下的平衡含水率，平衡時(shí)間72 h。

氣體變壓器室內(nèi)布置無需防火墻、泄油坑、可節(jié)約建設(shè)投資8%左右，與油變相比變壓器室縱向和橫向尺寸均可節(jié)省一定的空間，如果采用電纜出線方式或GIL管道的出線方式，由于本體密封在箱體內(nèi)僅需要考慮中性點(diǎn)設(shè)備的電氣安全凈距，可進(jìn)一步減少變壓器室的大小。結(jié)合目前運(yùn)行的SF6氣體變壓器布置情況，考慮變壓器就地維護(hù)及試驗(yàn)的需要，適當(dāng)預(yù)留氣體變壓器巡視維護(hù)通道及中性點(diǎn)設(shè)備布置位置、滿足安全距離即可，變壓器室高度按本體所需的高度再加上維護(hù)空間考慮。為方便零部件的吊裝，變壓器室屋頂可設(shè)置葫蘆吊。

3　其他

3.1消防

氣體變壓器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)SF6為惰性氣體，無燃燒性。在發(fā)生絕緣破壞產(chǎn)生短路后，一般不會(huì)發(fā)生爆炸。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，氣體變壓器室火災(zāi)危險(xiǎn)性為丁類無需設(shè)置自動(dòng)滅火裝置。

3.2散熱通風(fēng)

氣體變壓器的日常通風(fēng)根據(jù)冷卻裝置布置方式的差異，通風(fēng)量相差很大。當(dāng)冷卻裝置與本體分開布置時(shí)，散熱量將有一部分通過自然空氣傳出，變壓器本體散熱需要通過機(jī)械通風(fēng)排至室外；當(dāng)冷卻裝置與本體就地布置時(shí)，由于變壓器產(chǎn)生的所有熱量將全部釋放于變壓器室，因此通常宜設(shè)置通風(fēng)機(jī)房，將通風(fēng)設(shè)備集中布置于通風(fēng)機(jī)房內(nèi)，同時(shí)通風(fēng)機(jī)等振動(dòng)設(shè)備應(yīng)采取減振措施，排風(fēng)管道上設(shè)置消聲器等，減少通風(fēng)設(shè)備對(duì)外的噪聲輻射。

3.3降噪

氣體變壓器的噪聲控制應(yīng)從以下方面來采取有效的技術(shù)措施。

(1)鐵心降噪措施。如選用磁致伸縮小的優(yōu)質(zhì)硅鋼片，采用全斜交錯(cuò)接縫的鐵心結(jié)構(gòu)，在鐵心墊腳與箱底之間放置減振橡膠等。

(2)氣箱降噪措施。如增加箱壁強(qiáng)度，增加油箱阻尼，在油箱底部與基礎(chǔ)間設(shè)置減振器，加隔聲層等。

(3)冷卻系統(tǒng)降噪措施：選用低噪聲的冷卻裝置。

4　結(jié)語

本文根據(jù)SF6氣體變壓器的特點(diǎn)從其布置方式等實(shí)際工程設(shè)計(jì)中關(guān)心的問題出發(fā)闡述了氣體變壓器應(yīng)用站內(nèi)的設(shè)計(jì)方案，通過分析比較得出以下結(jié)論：

(1) SF6氣體變壓器的冷卻裝置布置可采用分開布置或就地布置。分開布置更利于變壓器的散熱通風(fēng)但土建費(fèi)用增加，檢修維護(hù)不便，噪聲較難控制、需增設(shè)伸縮節(jié)來消納變壓器本體與散熱器間的剛性連接；就地布置方式比較簡單，連接的氣體管道短，節(jié)省空間，維護(hù)便利，噪聲可控制于變壓器房間內(nèi)，變壓器本體與散熱器可以置于同一基礎(chǔ)上，不會(huì)產(chǎn)生差異沉降，但應(yīng)在室內(nèi)增加通風(fēng)設(shè)計(jì)或設(shè)置專用通風(fēng)機(jī)房以加強(qiáng)散熱效果。

(2) SF6氣體變壓器常用的出線方式有3種，架空出線最簡單、經(jīng)濟(jì)，試驗(yàn)、檢修方便，但空間利用率低；GIL和電纜出線造價(jià)昂貴，檢修和試驗(yàn)不便，但可節(jié)省較大空間，由于GIL為剛性連接，對(duì)土建及施工水平的要求都比較高，目前在城市中心的地下變電站或附建式變電站中大多采用電纜出線方式。

(3)根據(jù)SF6氣體變壓器阻燃阻爆、無油化的特點(diǎn)SF6氣體變壓器不需設(shè)置防火墻和油池，可節(jié)省變壓器室的布置空間；根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，結(jié)合運(yùn)行現(xiàn)狀，SF6氣體變壓器室無需設(shè)置自動(dòng)滅火裝置。

(4)對(duì)變壓器的本體噪聲，可通過減小鐵心和氣箱的振動(dòng)和降低噪聲的發(fā)散能力來控制，也可通過減振及隔聲、吸聲等措施，使噪聲在傳播途徑中得以衰減。另外，應(yīng)選擇新型低噪聲風(fēng)扇替代大流量高噪聲冷卻裝置能有效降低噪聲。

(5)建議氣體變壓器布置于用地緊張，人口稠密的商業(yè)繁華區(qū)和居民區(qū)，特別是高層建筑中的變電站如附建式變電站或城市地下變電站，氣體變壓器的布置方式與周圍的環(huán)境和條件密不可分，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)因地制宜，在進(jìn)行綜合分析比較后采取最適合的方案。

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Discussion on Layout of SF6 Gas Insulated Transformer in Substation

YIN Xue-Li
(Guang Dong Electric Power Design Institute Co. Ltd. of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663, China)

In the recent years, the SF6 Gas Insulated Transformer is gradually applied in the 110kV and below substations which are located in the urban areas to achieve the non-oiling, miniaturization and reliability improving of the power system .By analyzing different characteristics between gas insulation and oil insulation, Combined with the requirements of fire, ventilation and noise reduction, the layout scheme of gas transformer is analyzed in detail. A good design idea for the high voltage, large capacity gas transformer in substation applications is provided as well.

SF6 Gas Insulated Transformer; layout; ventilation; fire protection ; noise reduction

TM63

B

1671-9913(2016)05-0061-06

2015-10-30

殷雪莉(1979- )，女，高級(jí)工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)。