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干式变压器现状及其未来发展趋势综述 |
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作者：陈猷清 张勖成 |
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干式变压器在世界范围内得到迅速发展，时间要追朔到20世纪中后期，至今只有半个世纪。随着我国现代化建设的发展，城乡电网负荷不断增加。上世纪90年代干式变压器在我国得以广泛应用。随着城乡电网建设和改造、西部大开发的步伐加快、北京申办2008年奥运会的成功，长江三峡水利工程开始发电，干式变压器面临着新的发展机遇，其产销量必将有新的飞跃。
近来，有关干式变压器的现状及其发展趋势的文章见诸各报刊，这些对技术、工艺的研究讨论对于干式变压器的发展是十分有益的。借此，我们也谈谈一些看法。
1、我国干式变压器的现状
20世纪80年代末，干式变压器从国外进入中国。至今每年以超过20%的增长率迅猛发展。2002年全国产销量约18,000MVA，成为世界上干变不销量最大的国家之一。据有关部门不完全统计，全国干式变压器生产厂有50多家，但其发展很不平衡：产销量排前五名的厂，约占全国总产销量的62%，前十名厂约占全国总产销量的80%；年产量在100MVA以上的厂有21家（面对如此激烈的市场竞争，年产量在100MVA以下的厂，求得生存和发展是极其艰难的）。
目前，全球产销量第一的厂商为顺德特种变压器厂，从全球范围看，我国的干式变压器生产技术和生产工艺已经达到世界领先水平，并且拥有自主的知识产权，具有很强的竞争力。2002年产销量已超4,200MVA，加入WTO之后，随着开放程度的进一步提高，这一领域出现了更为广阔的市场空间。
下面介绍我国干变在节能降噪、向多领域多用途发展、智能化等方面赶超世界先进水平的概况。
1.1 损耗
干式变压器的革新，主要集中在节能、环保、性能参数的优化等方面。特别是在变压器的损耗及声级水平这些世界性课题的研究上，我国已经取得诸多可喜的成绩。
为了降低损耗，采取了一系列措施，如：选购优质低耗的晶粒取向冷轧硅钢片，先进的硅钢片剪切线，阶梯步进铁心接缝，合理的铁心、线圈结构，不迭上轭等先进工艺以及计算机三维优化设计等，使其新系列产品损耗值达到世界先进水平：SC（B）10新系列比现行国标《干式变压器技术参数和要求》（GB/T10228）空载损耗P0下降33%，负载损耗平均下降15%，总损耗平均下降约19%。表1及表2摘录列出西子（志享）SCLB9、ABB（上海）SCR9与顺特SC（B）9、10的空载损耗P0、负载损耗Pk值，并与我国GB/T10228-1997国标值相对照。
从比较可见：国产干式变压器新系列产品损耗值已达到世界先进水平，国产干变在世人关注的空载损耗P0，方面具有明显的品质优势（在国际性招标中，每1kWP0损耗，约折合5,000~6,000美元；每1kWPk损耗，约折合1,000~2,000美元）。
然而，值得注意的是，在相同原材料的情况下，苛求更低的损耗值是不尽合理的。此时，空载损耗的降低将导致用铁（硅钢片）量增加，负载损耗的降低将导致用铜量增加。收益与付出之利弊是需要精心权衡比较的。表1 空载损耗P0比较
 表2 负载损耗Pk(75℃)比较
注：GB/T10228-1997国标及顺特电气SC（B）10系按包封线圈配电变压器、F级绝缘耐热等级120℃下的负载损耗值，而其余各栏均按75℃值，比较时应注意换算。 1.2 声级水平
随着我国现代化进程的加速，环境保护显得日益重要，变压器的噪声危害提上了日程。干变制造厂与科研院校密切合格，对噪声产生的原因、机理进行潜心研究，不断深入求索，优化样品设计，反复进行试验验证，终于取得了突破，并很快将科研新成果落实到产品上。十几年来，更新了一代又一代产品，使干变噪声大幅度下降。新系列配电变压器已将其噪声比现行国标降低达10~20dB(A)：2,500kVA及以下容量的配电变压器，噪声一般可控制在50dB（A）以内；35kV特大容量如16,000kVA电力变压器通常可控制在60dB（A）左右。
可以这样说，中国人制造出的干变，已经基本上解决了变压器噪声扰民的问题；同时，噪声控制已达到世界先进水平。如表3所示。
1.3 向多领域多用途发展
（1）整流励磁变压器
发电厂励磁，逐渐由传统的动态励磁发电机系统转变为静态变压整流励磁系统，而励磁变压器亦逐步用干式变压器所取代。其电压等级有10~22kV，单相额定容量315~3000kVA。发电厂高压通常采用离相（管道式）封闭母线进线，相间距较大，故励磁变通常采用单相结构。这一静态整流励磁系统已经在水电站广泛应用，新建、扩建的大型火电厂也在逐渐采用。
目前，世界上最大的700MW水轮发电机组之励磁变压器，单相容量达3MVA、三相组成9MVA，4台机组之12台励磁变压器已经设计、制造好并发往三峡，以确保三峡发电厂今年开始发电。该产品为国产的“顺特电气”。由此可见：中国在整流励磁干式变压器的研发、设计、制造上，已达世界先进水平。
（2）牵引整流变压器
随着城市轨道交通的飞速发展，适用于城市地铁及轨道交通的干式变压器得以大量应用。电压等级通常有：10、35kV；整流脉波数有12脉波和24脉波，其中24脉波整流回路对电网的谐波污染比12脉波整流回路降低50%，可省去该处的滤波装置。容量有800、2000、2500、3300、4400kVA（用于深圳等地铁）。国内地铁及轻轨工程，如北京、上海、广州、深圳、南京、武汉、大连、长春等，均都选用了国产牵引整流变压器，车运营运行性能反映很好。健康德黑兰地铁工程也采用我国生产的牵引变压器。
（3）桥整流变压器
适用于电机交-交变频供电系统。额定容量315~2500kVA，电压等级通常有3、6kV，每台每相3~9个绕组，可以两台组合，通过移相联结成H桥整流。
（4）三相五柱式整流变压器
额定容量30~2500kVA，电压等级10、35kV，用于双反星形的整流电路中，可以取消平衡电抗器和减少调压电流冲击，且可降低运输高度。适用于安装场地受限制的变压器或应用于双反星形的整流系统。表3 声级水平比较
 （5）冶金电炉变压器
其特点是电压低、电流特别大，适用于大电流冶金电炉。如为贵冶生产的电炉变压器，容量3,500kVA、低压侧电压70~100V、电流达20,000A。电炉变压器采用干式变压器，受到客户的欢迎。
（6）核电站用变压器
十几年来，我国核电事业得以相应发展。一座座核电站相继选用各种国产干式变压器以及组合式变电站。1E级变压器是用于核电站核岛区域内的变压器。这是我国首次完全依照核安全监定程序进行产品鉴定的变压器（通过了60年寿命加速老化试验，并在老化试验完成后顺利通过了振动强度超过8级抗震试验，结果证明其产品的各项性能指标完全满足1E级变压器标准），这不仅标志着我国已具备生产进入核电站核岛区域的1E级干式变压器产品的能力，同时还说明了环氧树脂干变（CRDT）的高寿命、高安全可靠性。
额定容量1000~1250kVA，电压等级10kV。
（7）船用及采油平台用变压器
适用海洋运输及石油开发的需要，干式变压器已经走上了海船及采油钻井平台。产品额定容量30~10000kVA，电压等级0.38~35kV。产品获得中国船用产品形式认可证书。
（8）电气化铁道所用变压器
额定容量20~315kVA，电压等级27.5kV，联结组别有Dyn11、Ii0、Iiyn0（两相变三相）。适用于电气化铁道牵引变电所、开闭所、AT所、分区所的自用电系统。
（9）自藕变压器
额定容量30~2500kVA，电压等级10、35kV。该种变压器可降低成本。适用于电机启动供电系统
（10）有载调压变压器
对供电质量要求高的作业，如通信（含移动通讯等）、某些制造业等，要求采用有载调压干式变压器。对10kV干式配电变压器，常配套真空有载调压开关，目前最大容量达2,500Kva；对35kV干式电力变压器，常配套德国MR真空有载调压开关，目前最大容量达16,000Kva。上海大众汽车公司目前安装、使用了3台达到这一容量的产品，可说是世界上最大的有载调压干式变压器群。
然而，有载调压干式变压器存在一个大问题，那就是有载调压开关装置的选用。10kV有载调压开关一般选用国产的，但产品质量存在诸多的问题，特别是开关元件质量。若选用进口的，价格太贵。35kV有载调压开关通常选用德国MR型，运行安全可靠，但其价格很贵且交货期长达三个月以上。
1.4 干式变压器的类型
当前，存在着以欧洲为代表的树脂浇注干式变压器（CRDT）及以美国为代表的浸漆型干式变压器）（OVDT）两种类型。我国及一些新兴工业国家（如日、韩等）与欧洲相似，由早期采用浸漆式干变发展到采用树脂真空浇注干变，该项技术在我国得以飞速发展。近来，有几个厂家从国外引进了用NOMEX纸作绝缘的浸漆式干变（OVDT），因各方面的原因，尚未占据国内较大市场。
环氧树脂浇注的干式变压器机械强度高，耐受短路能力强，防潮及耐腐蚀性能特别好，且局放小、运行寿命长、损耗低、过负荷能力强，企业设计制造经验丰富，产品具备高安全可靠性及良好的环保特性，尤其是运行业绩非常好……据变压器行业统计，此树脂真空浇注干变（CRDT）在我国市场占有率高达90%以上。
H级绝缘与F级绝缘的环氧树脂浇注干式变压器，在外形、基本结构方面极为相近。不同之处主要是采用H级绝缘环氧树脂、导线匝绝缘要用MOMEX纸包烧、部分线圈绝缘件要用NOMEX纸板制造。其代表厂“顺特电气”，早在六、七年前就已生产了多台H级绝缘的干式变压器。近来，为长江三峡水利枢纽生产的700MW发电机组励磁变压器（单相容量3MVA、2.2MVA）就是H级绝缘、环氧树脂浇注的。由于采用H级绝缘、按F级进行温升考核，变压器不但具有环氧树脂浇注式结构的优点——抗短路能力强、免维护、难燃阻燃等，而且具有更高的超铭牌运动能力。
相对于其他类型H级绝缘的干式变压器，环氧树脂浇注式技术更为成熟、可靠。
1.5 智能终端TTU
配电变压器智能终端TTU是一种对变压器进行实时数据采集与控制的自动化终端设备，它可采集变压器电流、电压、温度等各种数据，通过通信网络可使变压器与配网SCADA系统相连，并上报变压器的各种数据。让电站管理人员可以准确及时地掌握变压器的运行情况，为供电部门实时了解配网运行状态，进行线损分析、负荷预测，提高电压合格率，优化供电方案、配网规划及用户接是等业务提供科学依据，对提高配网供电可靠性以及系统的运行管理水平具有重要意义。它的主要功能有：
(1) 实时监测：实时监测三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电网频率及四个温度量；
(2) 实时遥信：具有14路实时遥信，可检测变压器高低压侧开关、有载调压开关档位等状态量；
(3) 实时采集：实时采集变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、电网频率、三相线圈温度等数据；
(4) 液晶显示：采用320×240的5.7英寸液晶显示，数据查看、参数设置十分方便；
(5) 通信接口；提供当地和远方通信接口，可通过主台监测管理系统采集、分析数据，生成各种曲线和报表，真正实现远方监测；
(6) 温控湿显功能：可根据当前变压器的温度值控制变压器风机、高温报警、超温跳闸的继电器触点，从而自动控制风机运行、报警和跳闸；
(7) 具有RS232和RS485通信功能：通过主站可进行远方控制，实现遥测、遥信、遥控。
智能化节能型干式变压器系由变压器、传感器、变压器智能终端TTU、后台监控管理系统四部分组成，它可按多种模式运行。客户可按工程实际情况，选择功能模块的组合。这样一来，干变不仅具有传统单一的电压转换和电能传输的功能，而且变成为一种多功能智能化的电气设备。
2、未来发展
随着干式变压器在我国的不断开拓创新和大量推广应用，国内的设计制造技术已达世界一流水平，未来的干式变压器预计将获得进一步发展。
2.1 节能低噪
我国在损耗与噪声研究及节能环保变压器的制造上，已经取得了可喜的成绩，具备较高水平。然而，节能环保是变压器研发的永恒课题，还有很多问题值得研究。低损耗硅钢片、阶梯步迭铁心接缝、箔式绕组结构、噪声研究的深入、环境保护要求、计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术的引入及其发展，将使未来的干式变压器更加节能更加宁静。然而，对于单纯靠材料的投入来降低铁损、或铜损、或噪声，我们认为是都是不可取的。
2.2 高可靠性
电气产品，尤其是变压器，其运行可靠性是特别重要的。我国现已生产了数以万计的干式变压器，运行在各个领域、各项重点工程、重大项目上，对产品可靠性的要求不言而喻。然而，现实情况是不容隐晦的。某些劣质产品以低价推销充斥市场，根本无可靠而言。因此，当前干式变压器的可靠性问题，严肃地摆在干变研发制造者和干变使用者的面前。前者认真制造出可靠性高的干式变压器，后者一定要把产品的可靠性放在首位，而不要贪图便宜！
我国干式变压器已大量应用于国家重点工程、重大项目上，十几年来基本上没有出现大的事故，其可靠性是有口皆碑的。在电磁场理论及其计算、浇注工艺、热点温升、局放机理、质保体系、可靠性工程等方面进行大量的基础研究，积极进行可靠性认证，进一步提高干式变压器的可靠性，将是人们的不懈追求，也是干变设计制造者长期的课题。
2.3 环保特性认证
有关人士在《环氧树脂浇注干式变压器环保特性分析》一文中强调：“环氧树脂浇注干式变压器是一种清洁环保的电力设备，其设计制造、运行、最终鼾全过程均符合ISO14001及有关环保标准和法规的要求。寿命终结后完全可拆解并回收有价材料，回收利用率可达90%以上。已有成熟的处理技术和设备用于分离浇注线圈中的导体和树脂绝缘材料，拆解出的树脂绝缘材料可综合利用、燃烧（发电）或填埋处理等。”
近年来，已有几个干变企业通过了ISO14000环境认证。以IEC及欧洲标准HD464为基础，开展干式变压器的承受热冲击能力（C0、C1、C2）、适应环境能力（E0、E1、E2）、耐火能力（F0、F1、F2）的试验研究与认证。无论环氧树脂浇注型干式变压器（CRDT）还是浸漆型干式变压器（OVDT）在研发及实践方面，都有许多工作要做。
2.4 大容量
配电变压器容量通常在2,500kVA以下。目前，干式变压器的研发生产以此为主。随着城市用电负荷不断增加，城网区域性变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大中型厂矿等负荷中心，35kV大容量的区域供电干式电力变压器将获得广泛应用。目前，我国已经生产了35kV，16,000kVA和20,000kVA等超大容量的干变（其中有数台是用MR开关进行有载调压的），若工程需要，还可以设计制造出更大容量的各种各样的干式变压器。
2.5 多功能组合及智能化
从只具单一变电功能的变压器，向带有强迫风冷、保护外壳、功率计量、封闭母线、各种低压侧向出线、计算机接口等多功能组合式变压器发展，到引入TTU智能化终端，具有数据处理、状态控制、状态显示等功能，从而使变压器成为一种多功能智能化、随时处于最佳运行状态的电气设备。随着信息化技术的不断发展，变压器将进一步加速完善其智能化进程。
2.6 多领域发展
从以配电变压器为主，向发电厂励磁、厂用、轨道交通牵引整流、大电流电炉、核电站、船用、采油平台用等特种变压器及多用途多领域发展。
2.7 多材料、多品种
环氧树脂真空浇注干式变压器占据着全球主导市场的局面，近期内难以改变。
近年来顺特等企业对Nomex H级绝缘、非晶合金等新材料、新工艺，做过一些产品研制，获取了很多数据和经验，并将进一步在多领域做深入的研发。而未来材料科学、制造工艺的新发展，必将给变压器设计制造技术的发展提供新机遇、开创新纪元。
参考文献
[1] 张勖成.曾庆赣.干式变压器技术发展及设计选型.《中国建筑电气设备选型年鉴》1999~2000年.
[2] 曾庆赣.张勖成.干式变压器的特点及工程设计选型.《建筑电气》2000年第1期.
[3] 张勖成.刘斌.蔡定国.曾庆赣.SC（B）10系列干式变压器性能特点及选型应用.2002~2003年《中国建筑电气设备选型年鉴》.
[4] 郭振岩.刘景江.干式变压器发展新动向.《变压器》2002年第5期.
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[6] 曾庆赣.刘燕.张勖成.树脂浇注干式变压器与浸漆型干式变压器的比较.《电力设备》2003年第2期.
[7] 张长增.龙朝晖.曾庆赣.环氧树脂浇注干式变压器环保特性分析.《变压器》2003年第7期.(end)
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(3/8/2006) |
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