如何选择合适的主变压器？

一、主变压器容量和台数的确定

【引导问题】

◆发电厂和变电站主变压器台数确定的原则是什么？

◆发电厂和变电站主变压器容量的确定方法有何区别？

发电厂和变电站中，用于向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器；只用于两种升高电压等级之间交换功率的变压器，称为联络变压器。

主变压器的容量和台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的选择除依据基础资料外，主要取决于输送功率的大小、与系统联系的紧密程度、运行方式及负荷的增长速度等因素，并至少要考虑5年内负荷的发展需要。如果容量选得过大、台数过多，则会增加投资、占地面积和损耗，不能充分发挥设备的效益，并增加运行和检修的工作量；如果容量选得过小、台数过少，则可能封锁发电厂剩余功率的输送，或限制变电站负荷的需要，影响系统不同电压等级之间的功率交换及运行的可靠性等。

1.发电厂主变压器台数、容量的确定

变压器的容量、台数直接影响到电厂的电气主接线形式和配电装置的结构。在进行主变压器的选择之前，应该了解变压器的选择原则，主要包括变压器容量、台数的确定原则。

（1）主变压器的台数、容量应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑。

（2）一般装机1～3台的小型非骨干电厂以确定一台主变压器为宜，装机四台及以上的小型电厂可考虑确定两台主变压器以满足运行的可靠性和灵活性。对主要向发电机电压供电的地方电厂、系统电源主要作为备用时，可以只装设一台。

（3）为了保证发电机电压出线供电的可靠，接在发电机电压母线上的主变压器和在有一级，二级负荷的发电厂中的主变压器一般不少于2台。若机组较多，发电机母线电压的负荷较小，发电机主要功率送入系统时，主变压器可多于2台。

（4）200MW及其以上发电机组，一般接成发电机变压器单元接线，为减少主变压器台数，可考虑采用扩大单元接线。

（5）发电厂主变压器容量的确定。

1）单元接线中的主变压器容量S N应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度选择。

式中 P NG——发电机容量，MW；

cosφG——发电机额定功率因数；

K P——厂用电率。

2）接于发电机电压母线与升高电压母线之间的主变压器容量S N按下列条件选择。

a.当发电机电压母线上的负荷最小时（特别是发电厂投入运行初期，发电机电压负荷不大），应能将接于发电机电压母线上发电机发出的功率减去发电机电压母线上的最小负荷而得到的最大剩余功率送至系统。

式中 ∑P NG——发电机电压母线上的发电机容量之和，MW；

P min——发电机电压母线上的最小负荷，MW；

cosφ——负荷功率因数；

n——发电机电压母线上的主变压器台数。

b.若发电机电压母线上接有2台及以上主变压器，当负荷最小且其中容量最大的一台变压器退出运行时，其他主变压器应能将发电厂最大剩余功率的70%以上送至系统。

c.当发电机电压母线上的负荷最大且其中容量最大的一台机组退出运行时，主变压器应能从系统倒送功率，满足发电机电压母线上最大负荷的需要。

式中 P max——发电机电压母线上的最大负荷，MW；

∑P′NG——发电机电压母线上除最大一台机组外，其他发电机容量之和，MW；

对以上三个式子计算结果进行比较，取其中最大者。

2.变电站主变压器台数、容量的确定

为了保证供电的可靠性，变电站一般装设2台主变压器；枢纽变电站可装设2～4台；地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，可装设3台。负荷容量较小的三类负荷变电站或变电站仅有少量二类负荷，而且低压侧有足够容量的联络变压器的变电站可装设1台主变压器。

变电站主变压器的容量一般按变电站建成后5～10年的规划负荷考虑，并应按照其中一台停用时其余变压器能满足变电站最大负荷S max的60%～70%选择（对于35～110k V变电站取60%，对于220～500k V变电站取70%）。当全部Ⅰ、Ⅱ类重要负荷超过上述比例时，应按满足全部Ⅰ、Ⅱ类重要负荷的供电要求选择。即

式中 n——变电站主变压器台数。

3.联络变压器容量和台数的确定

联络变压器一般只装一台。容量确定的原则如下：

（1）联络变压器的容量应满足所联络的两种电压网络之间在各种运行方式下的功率交换。

（2）联络变压器的容量一般不应小于所联络的两种电压母线上最大一台发电机组的容量，以保证最大一台发电机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的需要；同时也可在线路故障或检修时，通过联络变压器将剩余功率送入另一侧系统。

二、主变压器型式的选择

【引导问题】

◆主变压器型式选择有哪些项目？

◆变压器型号的含义是什么？

1.相数的确定

在330k V及以下的发电厂和变电站中，一般都选用三相式变压器。因为一台三相式较同容量的三台单相式投资小、占地少、损耗小，同时配电装置结构较简单，运行维护较方便。如果受到制造、运输等条件（如桥梁负重、隧道尺寸等）限制时，可选用两台容量较小的三相变压器，在技术经济合理时，也可选用单相变压器组。

在500k V及以上的发电厂和变电站中，应按其容量、可靠性要求、制造水平、运输条件、负荷和系统情况等，经技术经济比较后确定。

2.绕组数的确定

（1）只有一种升高电压向用户供电或与系统连接的发电厂，以及只有两种电压的变电站，采用双绕组变压器。

（2）有两种升高电压向用户供电或与系统连接的发电厂，以及有三种电压的变电站，可以采用双绕组变压器或三绕组变压器（包括自耦变压器）。

1）当最大机组容量为125MW及以下，而且变压器各侧绕组的通过容量均达到变压器额定容量的15%及以上时（否则绕组利用率太低），应优先考虑采用三绕组变压器。因为两台双绕组变压器才能起到联系三种电压级的作用，而一台三绕组变压器的价格、所用的控制电器及辅助设备比两台双绕组变压器少，运行维护也较方便。但一个电厂中的三绕组变压器一般不超过2台。当送电方向主要由低压侧送向中、高压侧，或由低、中压侧送向高压侧时，优先采用自耦变压器。

2）当最大机组容量为125MW及以下，但变压器某侧绕组的通过容量小于变压器额定容量的15%时，可采用发电机一双绕组变压器单元加双绕组联络变压器。

3）当最大机组容量为200MW及以上时，采用发电机一双绕组变压器单元加联络变压器。其联络变压器宜选用三绕组（包括自耦变压器），低压绕组可作为厂用备用电源或启动电源，也可用来连接无功补偿装置。

4）当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，以限制短路电流。

5）在有三种电压的变电站中，如变压器各侧绕组的通过容量均达到变压器额定容量的15%及以上，或低压侧虽无负荷，但需在该侧装无功补偿设备时，宜采用三绕组变压器。当变压器需要与110k V及以上的两个中性点直接接地系统相连接时，可优先选用自耦变压器。

3.绕组接线组别的确定

变压器的绕组连接方式必须使得其线电压与系统线电压相位一致，否则不能并列运行。电力系统变压器采用的绕组连接方式有星形Y和三角形D两种。

我国电力变压器的三相绕组所采用的连接方式为：

110k V及以上电压侧均为YN，即有中性点引出并直接接地；35k V（60k V）作为高、中压侧时都可能采用Y，其中性点不接地或经消弧线圈接地，作为低压侧时可能用Y或D；35k V以下电压侧（不含0.4k V及以下）一般为D，也有Y方式。

变压器绕组接线组别（即各侧绕组连接方式的组合），一般考虑系统或机组同步并列要求及限制三次谐波对电源的影响等因素。接线组别的一般情况是：

（1）6～500k V均有双绕组变压器，其接线组别为Y，d11或YN，d11、YN，y0或Y，yn0。下标0和11，分别表示该侧的线电压与前一侧的线电压相位差0°和330°（下同）。

（2）110～500k V均有三绕组变压器，其接线组别为YN，y0，d11、YN，yn0，d11、YN，yn0，y0、YN，d11—d11（表示有两个D接的低压分裂绕组）及YN，a0，d11（表示高、中压侧为自耦方式）等。

4.结构型式的选择

三绕组变压器或自耦变压器，在结构上有两种基本型式。

（1）升压型。升压型的绕组排列为：铁芯—中压绕组—低压绕组—高压绕组，高、中压绕组间相距较远、阻抗较大、传输功率时损耗较大。

（2）降压型。降压型的绕组排列为：铁芯—低压绕组—中压绕组—高压绕组，高、低压绕组间相距较远、阻抗较大、传输功率时损耗较大。

应根据功率的传输方向来选择其结构型式。

发电厂的三绕组变压器，一般为低压侧向高、中压侧供电，应选用升压型。变电站的三绕组变压器，如果以高压侧向中压侧供电为主、向低压侧供电为辅，则选用降压型；如果以高压侧向低压侧供电为主、向中压侧供电为辅，也可选用升压型。

5.调压方式的确定

变压器的电压调整是用分接开关切换变压器的分接头，从而改变其变比来实现。无励磁调压变压器的分接头较少，调压范围只有10%（±2×2.5%），且分接头必须在停电的情况下才能调节；有载调压变压器的分接头较多，调压范围可达30%，且分接头可在带负荷的情况下调节，但其结构复杂、价格贵，通常在下述情况下采用：

（1）出力变化大，或发电机经常在低功率因数运行的发电厂的主变压器。

（2）具有可逆工作特点的联络变压器。

（3）电网电压可能有较大变化的220k V及以上的降压变压器。

（4）电力潮流变化大和电压偏移大的110k V变电站的主变压器。

6.冷却方式的选择

电力变压器的冷却方式，随其型式和容量不同而异，冷却方式有以下几种类型：

（1）自然风冷却。无风扇，仅借助冷却器（又称散热器）热辐射和空气自然对流冷却，额定容量在10000k VA及以下。(www.xing528.com)

（2）强迫空气冷却。简称风冷式，在冷却器间加装数台电风扇，使油迅速冷却，额定容量在8000k VA及以上。

（3）强迫油循环风冷却。采用潜油泵强迫油循环，并用风扇对油管进行冷却，额定容量在40000k VA及以上。

（4）强迫油循环水冷却。采用潜油泵强迫油循环，并用水对油管进行冷却，额定容量在120000k VA及以上。由于铜管质量不过关，国内已很少应用。

（5）强迫油循环导向冷却。采用潜油泵将油压入线圈之间、线饼之间和铁芯预先设计好的油道中进行冷却。

（6）水内冷。将纯水注入空心绕组中，借助水的不断循环，将变压器的热量带走。

7.变压器型号含义

第一个字母：O为自耦；

第二个字母表示相数：S为三相，D为单相；

第三个字母表示冷却方式：F为油浸风冷，J为油浸自冷，P为强迫油循环；

第四个字母表示绕组数：双绕组不标，S为三绕组，F为分裂绕组；

第五个字母表示导线材料：L为铝线，铜线不标；

第六个字母表示调压方式：Z为有载，无载不标。

数字部分：第一个表示变压器容量，第二个表示变压器使用电压等级。例如SJ-560/10，是3相油浸自冷容量为560k VA电压为10k V的变压器；S11-M-220中S11为变压器型号，11为设计序号，节能型产品，M为全密封，220表示额定容量为220k VA的无励磁调压油浸配电变压器；SC9-500/10，S为三相，C是浇注成型（干式变压器），9（11）为设计序号，500为容量为500k VA，10指额定电压10k V。

三、主变压器中性点的运行方式

【引导问题】

◆什么是中性点运行方式？

◆主变压器中性点的运行方式有哪些？适用范围分别是什么？

电力系统中性点的运行方式是指系统中主变压器和发电机中性点的接地方式。

电力系统中性点接地方式有两大类：一类是中性点直接接地或经过低阻抗接地，称为大接地电流系统；另一类是中性点不接地，经过消弧线圈或高阻抗接地，称为小接地电流系统。其中采用最广泛的是中性点不接地、中性点经过消弧线圈接地和中性点直接接地等三种方式。

（一）中性点不接地系统

中性点不接地系统正常运行时如图2-56所示，一般认为三相系统是对称的，若三相导线经过完全换位，则各相的对地电容相等，相对地电压分别为

图2-56　中性点不接地系统接线图

各相导线对地的电容相等并等于C，正常时各相对地电容电流的有效值也相等，且有I cu=I cv=I cw=ωCU d，对称电压的作用下，各相的对地电容电流大小相等，相位相差120°，如图2-57所示。各相对地电容电流的相量和为零，所以大地中没有电容电流流过。各相电流为各相负荷电流与相应的对地电容电流的相量和，如图2-58所示，图中仅画出U相的情况。

如图2-59所示，当W相完全接地时，故障相的对地电压为零，即：=0。

则有

即中性点电压上升为相电压。

图2-57　相量和为零

图2-58　相位相差

非故障相U相和V相的对地电压分别为

非故障相的对地电压升高到线电压，即升高为相电压的3倍，各相对地电流电压的相量关系如图2- 60所示。

图2-59　中性点不接地系统/接地故障

图2-60　对地电流电压的相量关系

系统三相的线电压仍保持对称且大小不变。因此，对接于线电压的用电设备的工作并无影响，无须立即中断对用户供电。对电力用户没有影响，用户可继续运行，提高了供电可靠性。电力系统的有关规程规定：在中性点不接地的三相系统中发生单相接地时，允许继续运行的时间不得超过2h，并要加强监视。

系统中电气设备和线路的对地绝缘必须按能承受线电压考虑设计，从而相应地增加了投资。

单相接地时，故障相对地电容电流为零，在接地处有接地电流流过，为非故障相的对地电容电流之和，并经故障相导线返回，因为在对地电容上所加的电压升高3倍，所以非故障相电流也升高3倍，此对地电容电流会引起电弧，电弧的强弱与接地电流的大小成正比。当接地电流不大时，交流电流过零时电弧将自行熄灭，接地故障随之消失，电网即可恢复正常运行；当接地电流超过一定值时，将会产生稳定的电弧，形成持续的电弧接地，高温的电弧可能损坏设备，甚至可能导致相间短路，尤其在电机或电器内部发生单相接地出现电弧时最危险；接地电流小于30A而大于5～10A时，有可能产生一种周期性熄灭与复燃的间歇性电弧，将引起过电压，其幅值可达2.5～3倍的相电压，这个过电压对于正常电气绝缘来说应能承受，但当绝缘存在薄弱点时，可能发生击穿而造成短路，危及整个电网的安全。

为防止由于接地点的电弧及伴随产生的过电压，引起故障范围扩大，在这种系统中必须装设交流绝缘监察装置，当发生单相接地故障时，立即发出绝缘下降的信号，通知运行值班人员及时处理。

适用范围：

（1）3～10k V钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35k V、66k V系统，不直接连接发电机的系统；当接地电流I C＜10A时。

（2）3～10k V非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，电压为3k V时，接地电流I C＜30A；电压为6k V时，接地电流I C＜20A。

（3）3～10k V电缆线路构成的系统，接地电流I C＜30A。

（4）与发电机有直接电气联系的3～20k V系统，如果要求发电机带内部单相接地故障运行，当接地电流不超过允许值时。

（二）中性点经消弧线圈接地系统

在中性点不接地系统中，当单相接地电容电流超过一定数值时（3～10k V系统中接地电流大于30A，20k V以上系统中接地电流大于10A），在接地点将产生电弧，引起危险的间歇过电压，因此须采用中性点经消弧线圈接地的措施来减小这一接地电流，熄灭电弧，避免过电压的产生。这种接地方式就是中性点经消弧线圈接地，见图2- 61。

图2-61　中性点不接地接线图

1.消弧线圈的工作原理

系统正常运行时，由于三相电压、电流对称，中性点对地电位为0，线圈上电压为0，线圈中没有电流流过。当系统发生单相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流I C与流过线圈的电感电流I L之和。由于I C超前U C90°，而I L滞后U C90°，I C与I L相位相反，在接地点相互补偿。只要消弧线圈电感量选取合适，就会使接地电流减小到小于发生电弧的最小生弧电流，电弧就不会产生，也就不会产生间歇过电压。

2.消弧线圈的补偿方式

根据消弧线圈中电感电流对接地电容电流的补偿程度不同，可以分为全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。

（1）全补偿。

当I L=I C时，接地点的电流为0，这种补偿称全补偿。从补偿观点来看，全补偿应该是最好的，但实际上不采用这种方式，因为系统正常运行时，各相对地电压不完全对称，中性点对地之间有一定电压，此电压可能引起串联谐振过电压，危及电网的绝缘。

（2）欠补偿。

当I L＜I C，即感抗大于容抗时，接地点尚有未补偿的电容电流，这种补偿称欠补偿。这种补偿方式也很少采用。因为在欠补偿运行时，如果切除部分线路（对地电容减小，容抗增大I C减小），或系统频率降低（感抗减小I L增大，容抗增大I C减小），都有可能使系统变为全补偿，出现电压串联谐振过电压。

（3）过补偿。

当I L＞I C即感抗小于容抗时，接地点出现多余的电感电流，这种补偿称过补偿。过补偿可以避免出现上述的过电压，因此得到广泛应用。因为I L＞I C，消弧线圈留有一定的裕度，也有利于将来电网发展。采用过补偿，补偿后的残余电流一般不超过5～10A。运行实践也证明，不同电压等级的电网，只要残余电流不超过允许值（6k V电网，残余电流不大于30A、10k V电网，残余电流不大于20A、35k V电网，残余电流不大于10A）接地电弧就会自动熄灭。

中性点经消弧线圈接地系统，与中性点不接地系统一样，当发生单相接地故障时，接地相电压为零，三个线电压不变，其他两相对地电压也将升高3倍。因此，发生单相接地故障时的运行时间也同样不允许超过2h。

中性点经消弧线圈接地系统多用于以架空线路为主体的3～60k V系统中，还可用在雷害事故严重的地区和某些大城市电网的110k V系统。

（三）中性点直接接地系统

随着电力系统输电电压的增高和输电距离的不断增大，单相接地电流亦随之增大，中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式已经不能满足电力系统安全、经济运行的要求。针对这些情况，电力系统中性点可以采用直接接地的运行方式，即中性点经一非常小的电阻与大地连接。图2-62是中性点直接接地系统接线图。

正常运行时，三相系统对称，中性点的对地电压为零，中性点没有电流流过。发生单相接地故障时，由于接地相直接通过大地与电源构成单相短路，所以这种故障为单相接地短路。单相接地短路的电流I K很大，继电保护装置将立即动作，使断路器断开，迅速切除故障，以防止I K造成更大的危害。

图2-62　中性点直接接地系统接线图

中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故障时，非故障相对地电压不会增高，因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑。电网的电压愈高，经济效果愈大；而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，单相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有选择性的接地保护就比较困难，但在中性点直接接地系统中，实现就比较容易，由于接地电流较大，继电保护一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。

目前我国在电压为110k V及以上的系统中广泛采用中性点直接接地的运行方式。

（四）中性点运行方式的应用范围

目前，我国电力系统中性点的运行方式如下：

（1）对于6～10k V系统，由于设备绝缘水平按线电压考虑对于设备造价影响不大，为了提高供电可靠性，一般均采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。

（2）对于110k V及以上的系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置，一般均采用中性点直接接地的方式。并采用送电线路全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。

（3）20～60k V的系统，是一种中间情况，一般一相接地时的电容电流不是很大，网络不很复杂，设备绝缘水平的提高或降低对于造价影响不很显著，所以一般均采用中性点经消弧线圈接地方式。

（4）1k V以下的电网的中性点采用不接地方式运行。但电压为380V/220V的系统，采用三相五线制，零线是为了取得线电压，地线是为了安全。