2022, Vol. 40
近年来，内蒙古工业园区用电负荷增长迅速，现有输变电设施的供电能力已无法满足新增负荷的供电需要，地区新增负荷的供电质量及可靠性受到影响。工业园区用电具有负荷较大、范围集中的特点，供电规划设计尤其需要考虑负荷集中性强的因素，如果仍按照常规思路进行设计，建设规划的经济性和可靠性往往较低[1-3]。在负荷增长较快、集中性强的地区，若探索提高单台主变压器的容量，采用大容量主变压器，就可以压缩变电站征地面积、降低建设成本[4-5]，并减少运营成本。
1 360 MVA/220 kV变压器在电网中的应用现状及其优点 1.1 国内220 kV主变压器应用现状依据国内有关电网公司通用设计、通用设备规范中主变压器选型内容，220 kV变电站主变压器最大容量可选取240 MVA[6]。某些发电企业和钢铝工业用户有少量容量300 MVA的变压器在挂网运行，但仅限于双卷变压器，与电网常用的三卷降压变压器有所不同。目前国内电网220 kV变电站的主变压器仍以180 MVA和240 MVA容量为主。以内蒙古电网为例，240 MVA变压器占15%、180 MVA占15%、其他容量占55%。因此，采用360 MVA/220 kV变压器是国内电网的一次新的尝试。
1.2 360 MVA主变压器的优点 1.2.1 节省占地面积为了分析360 MVA主变压器的优劣性，本文设计了变电站的两个初步方案，方案一主变压器建设规模为4×240 MVA，电气总平面如图 1所示；方案二主变压器建设规模为3×360 MVA，电气总平面如图 2所示。两个方案220 kV和110 kV配电装置均采用户外GIS设备，出线回路数相同，站内35 kV配电装置及其他设施规模相同。
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| 图 1 方案一（单台主变压器容量240 MVA）电气总平面图 Figure 1 General electrical plan of scheme Ⅰ (capacity of single main transformer is 240 MVA) |
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| 图 2 方案二（单台主变压器容量360 MVA）电气总平面图 Figure 2 General electrical plan of scheme Ⅱ (capacity of single main transformer is 360 MVA) |
对比分析两个方案，由于方案一中变电站减少了主变压器数量以及主变压器三侧进线间隔、分段间隔及母线设备间隔数量，因此变电站的占地面积较较方案二节省约15%。
1.2.2 节省投资上述两个方案中变电站主变压器的总容量分别为1080 MVA和960 MVA，方案二比方案一增加了120 MVA供电能力，两个方案都解决了地区110 kV变接入落点问题，变电站的功能和定位基本相同，技术经济方面具有可比性。变电站基建阶段几项重要指标对比结果见表 1。
| 表 1 两种方案重要指标对比 Table 1 Technical and economic comparison of important indicators |
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由表 1可看出，就基本对比项目投资而言，方案二合计费用比方案一可节省5%。方案二征地费用较方案一节省14%左右；主要电气一次设备费和相应设备基础投资方面，由于方案二中各电压等级主变压器进线间隔数量少于方案一，因此，除主变压器费用外，其他设备费用方案二均低于方案一。
此外，方案二较方案一减少了1台主变压器，全站主变压器消防设施（如变压器喷水喷雾系统或泡沫灭火系统）相应减少了工程量；同样，主变压器保护系统、油色谱在线监测装置及相应的二次电缆使用量都相应减少，主变压器相关的附属设施工程量有所减少，设备投运后的维护工作量也相应减少。
2 360 MVA/220 kV变压器主要技术参数的选择 2.1 变压器容量和接线组别的选择按照地区电网需求和规划，变压器高压、中压、低压的电压设定为220 kV、110 kV、35 kV，高压、中压采用全容量（即360 MVA）。考虑到大容量变压器在电网中的作用和功能，360 MVA变压器低压侧不建议采用分裂变压器。低压侧采用分裂变压器虽然能有效降低单个绕组的占空比，但变压器整体体积会增加，给制造和运输带来风险；同时，当其中1个分支短路退出运行后，另1支的抗短路能力将大大降低，分裂变压器不利于安全稳定运行。因此，低压侧容量选择按1/3主变压器容量配置，即120 MVA，这样可使低压侧开关输出容量不受限制，同时也不影响主变压器的抗短路能力[7-9]。
本文研究的360 MVA变压器，受地区电网规划的限制，联结组别采用YN/yn0/yn0型式，变压器中没有三角形绕组。这种情况下，内蒙古电网的常规做法是变压器另加一个10 kV平衡绕组。平衡绕组采用三角形接线，一般不对外输出功率，主要为三次谐波电流提供通路，消除三次谐波磁通，从而消除电压中的三次谐波分量[10-13]，本文研究的360 MVA变压器也增加了10 kV平衡绕组。平衡绕组容量的配置，国家标准中未作明确规定，结合平衡绕组在变压器中的运行经验、运行方式及平衡绕组的结构形式，同时，综合各制造厂意见，在确保变压器能够满足使用要求的情况下，当其仅充当平衡绕组时，一般设计成10 kV级，容量大约为变压器额定容量的1/3。因此，本文研究的360 MVA变压器平衡绕组容量设置为120 MVA。
综上所述，当变压器三侧电压分别为220 kV、110 kV、35 kV时，合理的变压器容量比为360 MVA/ 360 MVA/120 MVA+ 120 MVA（10 kV平衡绕组容量）；联结组别最终选择采用YN/yn0/yn0+d型式。
2.2 冷却方式的选择及噪声分析目前，变压器常用冷却方式有油浸式自冷、油浸式风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷等。针对360 MVA主变压器的冷却方式，各制造厂给出了不同意见，国内6个变压器制造厂（西安西电变压器有限责任公司、特变电工沈阳变压器集团有限责任公司、重庆ABB变压器有限公司、新疆特变电工股份有限公司、东泰开变压器厂、山东电力设备有限公司）中4个制造厂建议采用自然油循环风冷方式，另外2个制造厂建议采用强油风冷方式。各种冷却方式的特点如下。
（1）自然油循环自冷方式：由于本次采用的主变压器容量太大，自冷方式变压器外挂散热器体积会超出器身两侧很多，结构不合理，因此制造厂均不建议采用自然油循环自冷方式。
（2）自然油循环风冷方式：具有工艺成熟、运行稳定的特点。采用该方式时变压器噪声水平可控制在70 dB以下，最低可控制在65 dB（但造价会增加）[12]。
（3）强迫油循环风冷方式：油箱体结构更紧凑合理，外形尺寸更小，抗短路能力强；但故障率和运行维护工作量增大，宜采用质量较好的油泵；变压器噪声水平只能控制在75 dB。
油浸式变压器强迫油循环风冷系统是20世纪90年代出现的冷却系统，具有工作电源可靠性要求高、冷却系统自冷性能低、检修维护量大、能耗噪声高等弱点，如果风冷系统故障，将会造成变压器过负荷停运，影响电网的安全运行和可靠供电。而油浸式变压器自然冷却/自然油循环风冷冷却系统具有良好的自冷性能、维护量小、能耗及噪声小等优点，因此被广泛应用。综合上述分析，建议主变压器采用自然油循环风冷方式。
2.3 360 MVA变压器的其他主要参数对于变压器的损耗、噪声和温升等参数，综合各方意见，兼顾经济性和实用性，并参考已成熟应用的360 MVA/330 kV主变压器参数，得到360 MVA/ 220 kV变压器主要技术参数的推荐值，如表 2所示。
| 表 2 360 MVA变压器技术参数 Table 2 Technical parameters of 360 MVA transformer |
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由于360 MVA/220 kV变压器为国内电网首次使用，某些设备的试验报告制造厂只能在产品出厂后提供，例如，采购阶段不要求制造厂提供本型号变压器的型式试验和短路承受能力试验报告，制造厂按要求提供短路承受能力计算报告即可，待出厂时再提供国家标准要求的其余试验报告。
设计参数为360 MVA/220 kV的主变压器已于2019年12月在内蒙古电网棋盘井220 kV变电站挂网运行，截至目前，设备运行稳定，经济效益明显。表 3—表 6为棋盘井360 MVA变压器出厂试验报告中相关试验数据；测试的油箱表面热点温度为73.7 ℃（位置：中压侧V相升高座，冷却介质温度：24.9 ℃）[12]。
| 表 3 变压器负载损耗 Table 3 Transformer load loss |
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| 表 4 变压器空载损耗 Table 4 Transformer empty⁃load loss |
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| 表 5 变压器顶层油温升和绕组温升 Table 5 Top oil temperature rise and winding temperature rise of transformer |
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| 表 6 变压器噪声测试结果 Table 6 Test results of transformer noise |
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将实测数据与表 2数据进行对比，可以看出产品性能均满足预设参数的要求，同时也证明了本文事先拟设的360 MVA变压器参数是科学合理的。
目前，国内厂家生产大容量三相220 kV降压变压器并无技术壁垒，制造标准可借鉴特高压相关标准和IEC标准。从制造工艺上看，凡能生产特高压设备的专业制造厂都不存在整组起吊和试验问题，大件运输也完全可以通过水、陆或铁路运输[14]。
4 结语内蒙古电网在负荷增长较快、集中性强的地区探索使用了大容量变压器，在变电站方案设计中首次尝试了大容量变压器参数选择工作。挂网运行结果表明，设备运行情况良好，各项参数指标均在设计范围内，设计、建设经验可供360 MVA及更大容量的220 kV变压器在电网中的应用提供参考。
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