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中国电力设备管理协会

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1000千伏级特高压输变电设备的研制

作者:   发布时间:2016-03-23

       近年来随着国民经济的发展,用电量急剧上升,输电距离不断增加,我国能源和消耗的分布又不平衡,所以为了适应经济和社会的快速发展,需要在较大的范围内实现电力资源的优化配置,实施特高压输电是最合理的解决办法。采用特高压输电技术,实现电力的大容量、远距离和低损耗输送,是中国电力工业发展的重要战略方向。
       西安西电变压器有限责任公司(以下简称西电西变)作为行业龙头企业,具有高素质的管理、技术和生产队伍,建立了现代化的企业管理机制和完善的质量保证体系。经过“六五”到“十二五”持续不断的技术改造使装备能力不断提高,生产区域净化和空调设备不断完善,提高了生产环境质量。通过科研攻关、技术创新,独立自主研制成功具有国际领先水平和完全自主知识产权的1000千伏特高压并联电抗器和1000千伏特高压交流变压器产品。
       一、1000kV特高压并联电抗器
       并联电抗器电压等级由500千伏、750千伏提高到1000千伏,尤其是容量提高到200Mvar以上,随之伴随在电、磁、热、机械方面的问题将更为突出。这也是在实施过程中需要解决的技术关键,在电气方面,解决高电压下的电场控制;在磁场方面,解决漏磁控制和消除局部过热、由电磁力产生的振动和噪音问题;在发热方面,控制好产品的热点温升,保证产品长期可靠安全运行;在机械方面,解决好振动、噪音以及油压机械强度和运输问题。
       西电西变是国内最早从事特高压并联电抗器研究和生产1000千伏特高压并联电抗器的制造商,从上世纪九十年代至今,从没间断地致力于特高压并联电抗器的研究和开发工作,在特高压并联电抗器的理论研究,产品设计、制造、试验等方面取得了丰硕的科研成果。
       2008年,西电西变为我国第一条晋东南——荆门交流特高压试验示范工程,特高压长治站提供了4台BKDF-320000/1000并联电抗器,特高压南阳站提供了7台BKDF-240000/1000并联电抗器。具备十分广阔的市场前景。因此,该课题十分符合我国输变电发展的方向。
       2011年,西电西变成功研制了BKD FYT-200000/1000交流有级可控并联电抗器,西电西变电抗器的理论和制造水平再上一个台阶。2012年,西电西变为“皖电东送淮南至上海特高压交流输电示范工程”提供了14台BKDF-240000/1000并联电抗器和4台BKDF-200000/1000并联电抗器。2014年,西电西变为“浙北至福州特高压交流输电工程”提供了4台BKDF-240000/1000并联电抗器和10台BKD-160000/1000并联电抗器。2015年,西电西变为“淮南—南京—上海特高压交流工程”淮南站、泰州站提供了14台BKDF-240000/1000并联电抗器。
       2015年,西电西变为“锡盟-山东特高压交流工程”北京东站提供了13台BKDF-280000/1000并联电抗器。2015年,西电西变为“蒙西—天津南特高压交流工程” 晋北站提供7台BKDF-200000/1000并联电抗器和4台BKDF-240000/1000特高压产品在制。2015-2016年,西电西变将为“榆横—潍坊特高压交流工程” 济南站提供4台BKDF-280000/1000并联电抗器、石家庄站提供4台BKDF-280000/1000和7台BKDF-240000/1000特高压产品。
       通过以上多个工程的实践,西电西变在特高压并联电抗器设计、工艺和制造方面积累了丰富的经验,取得了许多研究成果,并逐步推广应用于500千伏、750千伏等电抗器产品上。
       西电西变1000千伏并联电抗器结构成熟、安全可靠,所有产品在工厂全部一次通过所有试验,特高压试验示范工程1000千伏并联电抗器自2008年投运以来,经历了现场各种试验与多年实际运行的考验,运行状态良好。西电西变1000千伏并联电抗器具体结构方案如下:
       1.总装结构。
       产品整体采用油浸风冷,独立冷却的方式。散热器与本体分开放置,储油柜放在散热器上。高压套管在箱壁引出,单独支撑,底吹式风机可根据油温自动投切,设有继电器、温度控制器、释压器等保护装置。
       2.油箱结构。
       油箱为筒式平箱盖结构,长方形,箱盖和油箱箱沿焊死成为全密封结构。油箱材料为高强度结构钢,机械强度高,结构紧凑。油箱为焊接钢板结构,能承受真空和正压而不产生泄漏和永久变形及损坏,而且能承受和保持长期全真空。箱盖箱底用整块钢板制造,无拼接焊缝,箱壁用大张钢板拼焊,外部用数道槽形加强铁加强,机械强度高。
       为防止漏磁在油箱等金属件引起局部过热,根据磁场计算结果箱壁上合理设置屏蔽,减小漏磁通在油箱壁表面产生涡流损耗,防止箱壁局部过热。
       3.铁心结构。
       铁心饼为辐射形叠片,用特殊浇注工艺浇注成整体,确保其机械强度。铁心保证可靠的压紧,使其成刚性整体结构,并有效减小电抗器电磁力引起的振动和噪声。在铁心的上下与箱盖箱底之间通过三维强力定位装置固定,足以耐受运输中的冲撞而不产生位移。夹件和铁心分别由接地套管分别引出。
       4.线圈结构。
       线圈为饼式结构,采用电场分析法进行特高压电抗器线圈和器身绝缘结构设计,计算各种运行和试验工况下各部位的绝缘裕度,优化线圈的主、纵绝缘结构,确保绝缘结构的安全可靠性。在保证绕组绝缘可靠的基础上,通过流体、温度场的量化计算,控制线圈中的温度场分布,使线圈能够有效散热,提高绝缘抗热老化性能,保证电抗器长期安全可靠运行。
       5.器身绝缘结构。
       采用电场分析法进行特高压电抗器器身绝缘结构无局放的设计,对主绝缘油隙、端部绝缘油隙、电极表面场强,爬电场强、出线结构、大体积效应均进行全域量化计算和绝缘裕度的校核,确保绝缘安全可靠性,同时器身绝缘纸板采用优质的T4绝缘纸板,绝缘角环、绝缘成型件采用优质的绝缘成型件并经严格的检查。冷却油道用绝缘垫块均采用经过密化处理的进口纸板加工,减小油流阻力,避免“死油区”。
       6.引线结构。
       1000千伏引出线采用出线装置引出。出线装置绝缘可靠,整体机械强度高,能够抵御运行中的振动和运输中的冲撞。引线出头处,在器身围屏上按电场分布设置成型件分割油隙,与出线装置的成型件互相配合。同时为了保证引线连接的可靠、电极的均匀,引线通过大直径的铝管相连,铝管外包绝缘皱纹纸,夹持牢固,电极光滑,绝缘可靠性高。中性点引出线利用绝缘支架和夹持固定牢固,通过中性点套管引出。
       二、1000kV特高压交流变压器
       1000千伏变压器是特高压交流输电工程中的关键设备,1000千伏变压器的研制对成功实施特高压输电工程具有决定性的作用;目前我国特高压交流输电事业已经进入了全面建设、高速发展的黄金时代,因此1000千伏级特高压变压器产品的设计、生产,不仅可以满足国内输变电设备配套需要,为企业和社会创造较高的经济效益,同时还可以树立国内企业在世界输变电设备制造业中的形象,提高参与国内外市场竞争的能力,以特高压高端产品为龙头,将国内企业产品推向国际市场,为国家和企业创造更高的经济效益。引领我国变压器技术走在世界的前列。
       1.1000千伏特高压自耦变压器。
       在特高压自耦变压器的研制过程中,西电西变针对1000千伏特高压变压器所涉及的绝缘技术、绝缘结构设计、防止局部过热、暂态过电压对变压器的影响、发热冷却与油流带电问题、冲击电压分布问题、抗短路强度问题、超级超重运输、工艺试验方案等关键技术的基础研究,研制出技术性能处于国际领先水平的ODFPS-1000000/1000特高压自耦变压器。
       ODFPS-1000000/1000特高压自耦变压器是西电西变制造的世界上首台双柱并联结构1000千伏 1000MVA级单相自耦变压器,单柱容量达到500MVA,是目前世界上单柱容量最大的产品。通过这一举措可以大大减小变压器结构尺寸,减小占地面积,节能环保。与特高压交流试验示范工程用主变相比,由于单柱容量增大,每柱磁通增加,因此对产品的漏磁控制、温升控制等提出了更高的要求。并且随着单柱容量的增加,西电西变针对变压器耐受短路能力、绕组热点温升、局部过热、绝缘可靠性、限制噪音等问题都进行了深入细致的研究,利用专业的专家系统对绝缘结构进行分析和验证,对电、磁、力、热分析计算,并与西电西变生产的成熟结构的产品进行对比,对关键部位进行加强控制,从而保证产品具有足够的安全裕度以保证产品的安全可靠性。
       西电西变通过潜心研究开发、技术创新,突破并掌握了1000千伏大容量自耦变压器产品的核心技术:特高压大容量变压器主绝缘结构的研究;特高压大容量变压器纵绝缘结构的研究及端绝缘研究;特高压大容量变压器引线结构及出线系统研究;特高压大容量变压器防止局部过热技术的研究;特高压大容量变压器油流带电及防止措施的研究;特高压大容量变压器的快速瞬变过电压(VFTO)的研究;特高压大容量变压器总体结构的分析研究;特高压大容量变压器油箱强度及运输问题的研究;提高特高压大容量变压器抗短路能力的技术研究;特高压大容量变压器相关制造技术的研究;特高压大容量变压器相关试验技术的研究。
       与三柱结构相比较,该产品具有生产制造、运行成本低,整体损耗小、占地面积小、节能环保的特点,适应电力市场发展的需求,具有强大的竞争力,并将给企业和用户带来非常可观的经济效益和社会效益。仅为“晋东南—南阳—荆门”1000千伏特高压试验示范工程南阳站成功提供的4台相同型号特高压自耦变压器的销售收入达到近1.6亿元。
       2.1000千伏特高压有载调压变压器。
       前期晋东南至荆门特高压交流试验示范工程中采用的特高压自耦变压器均为无励磁调压型式,无法对系统电压进行动态调节。而在特高压输电网络采用特高压有载调压变压器,可以有效实现对线路电压进行动态调节,提高线路运行的灵活性及输送效率,研制有载调压式的特高压变压器,可为解决特高压电网无功电压控制难题、提高运行灵活性提供重要技术手段。
       由于特高压变压器采用主体变压器和调压补偿变压器分箱布置的结构,如何选取调压方式和连接型式、调压范围和调压级数、分接开关的能力成为研制的关键。西电西变依托皖电东送特高压交流输电示范工程,在已成熟应用的特高压无励磁调压自耦变压器技术的基础上,结合有载分接开关的制造水平,开展了特高压有载调压变压器相关关键技术的研究,攻克了一系列技术难题,成功试制世界首台套特高压有载调压变压器,并成功挂网运行于皖电东送特高压交流输电示范工程芜湖站。
       ODFPSZ-1000000/1000特高压有载调压变压器,采用双柱并联有载调压结构,单柱容量达到500MVA,是目前世界上单柱容量最大的有载调压变压器产品,该变压器的成功研制在世界范围内尚属首次。ODFPSZ-1000000/1000特高压有载调压变压器的研制成功,对提高我国特高压变压器规模化生产制造能力、稳定特高压变压器的生产质量,提升我国在特高压输变电技术领域的创新能力和核心竞争力具有十分重要的意义,为我国更为全面的掌握特高压电力变压器的核心技术奠定坚实的基础。在该变压器的研制过程中,主要开展了以下关键技术的研究:
       (1)调压范围的确定及有载开关的选取。
       根据特高压有载调压变压器的容量、绝缘水平等技术要求,对现有成熟结构的有载调压分接开关进行调查和深入研究,将该变压器的调压方式选定为中性点调压,调压范围设定为与无励磁调压变压器相同(±5%),可以满足特高压工程的需求。
       通过多方案的对比研究和可靠性分析,在保证有载分接开关开断能力的前提下,将有载分接开关的调压级数设定为10级,每级调压范围为0.5%,有载分接开关型号为RI2003-123/D-12233W。
       (2)有载分接开关切换时主体变、调压变之间暂态过程的研究。
       特高压有载调压变压器采用主、调分离,并且带低压电压补偿的特殊接线方式。在这种接线方式下,通过有载分接开关的电流是调压线圈的有功电流和补偿励磁线圈无功电流的向量和,由于有功电流与无功电流相角差的影响将会对触头开断瞬间的灭弧能力造成影响。带负载切换时,通过补偿励磁线圈的无功电流将影响到分接开关的开断能力。
       对各个工况下有载分接开关切换时主体变、调压变的暂态过程进行分析研究,计算出在不同工况下流经开关的有功电流和无功电流以及它们的相位差,对开关的开断能力进行校核,并组织专家进行了多次的评审和确认,确保开关的开断能力及长期运行的可靠性。 
       (3)多级数调压引线引出的实现。
       项目采用±10级的有载调压开关,调压线圈出头较多,由于空间限制,调压出线集中布置时,调压引线间的距离小。为保证调压引线的绝缘可靠性,对调压出线方式进行了绝缘可靠性研究,采用了特殊的调压引线结构,调压线圈分两侧出线,分别经铜排接至有载分接开关。整体结构简单、清晰,调压出线间有足够的绝缘距离,调压引线绝缘可靠性得到保证,有利于变压器的安全可靠运行。
       (4)特高压自耦有载调压变压器有载分接开关在多种工况运行下的验证。
       由于有载调压变压器接线方式的特殊性,有载调压时,通过补偿励磁线圈的无功电流将影响到分接开关的开断能力。通过对各个工况下有载分接开关切换时主体变和调压变之间的暂态过程进行分析研究,并分别对分接开关流过最大工作电流时的开断能力,以及低压侧带入无功补偿设备时的等不同工况下流经开关的电流进行了分析校核,保证了不同工况下分接开关的开断能力能力满足性能要求。同时,在工厂内进行了有载分接开关(连同变压器本体)的空载循环及负载循环(负载电流95%额定电流) 操作试验,试验结束后对有载开关的切换开关芯子进行解体检查,开关所有零部件状态良好。工程调试阶段和投运后,分别对有载调压变压器进行了空载和负载试验。现场负载调试后,再次对有载开关的切换开关芯子进行了检查,开关所有零部件状态良好;切换开关复装后,现场进行相关检测,开关整体状态良好。
       特高压有载调压自耦变压器创新的采用主调分箱布置结构,其中其主体变压器在调压补偿变压器发生故障时可单独接线运行,降低了由于调压装置故障使得变压器整体退出运行的风险;同时由于主体变与调压补偿变之间通过油—空气套管在外部进行连接,变压器内部接线较为简单,同时当调压补偿变压器发生故障时也可快速的将调压补偿变压器进行更换,进而提高了变压器运行的安全可靠性。
       调压补偿变压器中的调压变压器采用中性点有载调压方式,降低了有载分接开关的绝缘水平及开关选型的难度,设置的补偿变压器创新的采用全补偿方式,保证在变磁通有载调压方式下低压电压稳定的同时,改善有载调压瞬变过程的稳定性和减小阻抗波动范围。
       两年来,ODFPSZ-1000000/1000特高压有载调压变压器在淮南—上海特高压交流输电示范工程皖南1000千伏变电站运行稳定可靠,得到用户和行业专家的一致好评,被认为具有结构新颖、损耗低、局部放电量小、绝缘可靠、性能先进的特点,其技术性能指标处于国际领先水平。该产品的成功研制,为业主选择1000千伏 1000MVA特高压自耦变压器的结构形式提供了一种先进而可行的技术方案;为1000千伏输电线路电压的稳定性、安全性及连续性提供了有力保证,为特高压电网的发展提供了有力的保证。
       通过该变压器的研制对提高我国特高压变压器规模化生产制造能力、稳定特高压变压器的生产质量,提升我国在特高压输变电技术领域的创新能力和核心竞争力具有十分重要的意义,为我国更为全面的掌握特高压电力变压器的核心技术奠定坚实的基础。为研制单体式1000千伏 1500MVA特高压大容量自耦变压器奠定了坚实的技术基础,使我国特高压变压器设计制造技术上了一个新台阶。同时为解体运输现场组装式特高压变压器及新一代1000千伏、1334MVA特高压大容量电力变压器的研制奠定了基础。
       西电西变在特高压电力变压器领域开发新技术、新产品以及产业化和市场占有率等方面一直处于国内领先地位。1000千伏级特高压输变电设备的研制成功,对我国特高压输变电设备的规模化生产制造能力、稳定特高压输变电设备的生产质量、提升我国在特高压输变电技术领域的创新能力和核心竞争力具有十分重要的意义;对推动国内相关企业在材料、组件等方面的技术创新发展,填补空白,具有巨大的经济和社会效益;为我国更为全面地掌握特高压输变电设备的核心技术奠定了坚实的基础。1000千伏特高压交流变压器获得国家如下授权专利,并获得AA级专有技术2项,同时发表论文3篇。