SF6气体绝缘干式变压器在中国未来的发展前景

综述了内外SF6气体绝缘干式变压器的发展现状。介绍了这种干式变压器的结构特点和制造工艺。对生产成本和市场销售价格进行了分析和讨论。指出了SF6气体对环境保护的影响。关键词：SF6气体绝缘干式变压器；结构；生产成本；价格；环保1前言SF6气体绝缘干式变压器(以下简称GIT)采用不燃、抗灾、安全的SF6气体作为绝缘介质，是目前公认的唯一一种具有优异抗灾性能、技术成熟、电压可达275 ~ 500 kV、容量可达300MVA的电力干式变压器。特别适用于人口密集、场地狭窄的地下变电站和城市变电站。GIT在外有30多年的安全运营经验，在制造、运营、维护方面技术成熟。因此，在目前中城市网络转型的热潮中，不难理解这一产品越来越受到人们的关注。GIT的优点到目前为止已经在很多文献[1，2，3]中有详细描述，这里不打算重复。但是，为了更全面地看待GIT，这里强调以下几点。(1)GIT的主要优点1)GIT的防火性能较好。SF6气体不可燃，其物理和化学性质非常稳定。相对来说，环氧树脂是一种不燃材料，仍然有一定的燃点，所以GIT的防火防灾性能较好。(2)在防灾干式变压器中，是唯一能实现高电压大容量的。到目前为止，世界上使用的防火、防灾干式变压器主要有两种：干式变压器(包括环氧浇注干式变压器和H级开放式通风(OVDT)干式变压器)和GIT。但前者认可的较高电压为35kV，容量为20MVA。而后者可达275 ~ 500 kV和300MVA。在我目前的城市电网改造中，许多城市要求在市中心建立110 ~ 220 kV变电站(部分为地下变电站)，这显然会促进对GIT需求的增加。(GIT的陆地面积大致相当于同容量同电压等级的油浸式变压器，但不需要额外的灭火设备。从这个角度来看，GIT对于节约变电站用地面积的作用不大。但在配电设备中使用GIS时，如果GIT与GIS直接相连，可以省去电缆等辅助设备，大大减少了变电站的占地面积。外很多变电站的例子都证明了这一点。(4)GIT没有储油罐，所以与油浸干式变压器相比，其高度可以降低20%，非常有利于减少地下变电站的土建投资。(5)虽然GIT的整体结构与油浸式变压器相同，但SF6气体的绝缘特性受高压、低电场均匀性和含尘量的影响较大。所以GIT不仅结构复杂，而且对环境门槛和生产车间的加工工艺要求也很高。另外，由于SF6气的散热和冷却能力比干式变压器油差，而且壳箱是加压容器，这些都会增加干式变压器的原材料成本，所以GIT的价格更高。信息来自： (6)。就噪声而言，GIT的体噪声比油浸干式变压器平均可降低3dB左右，但风扇噪声较大，不能得出GIT噪声总体较低的结论。当不得不的时候，我们不得不选择价格昂贵的低噪音风扇，这种风扇对可靠性要求很高，但目前在内很难制造。(7)由于SF6燃气散热能力差，GIT的过载能力只有油浸干式变压器的三分之二左右。(8)带有载调压的GIT，必须采用真空有载分接开关。对于这种用于高压大容量场合的有载分接开关，目前内很难制造，如果依赖进口，总成本会增加。内外2SF6气体绝缘干式变压器的发展根据文献记载，美于1956年开始生产GIT，而欧洲家则从1957年开始生产GIT #p#分页标题#e#

继美之后，日本于1967年开发了较好台69kV和3000 kvit[4]。此后，由于日本土狭小、大城市人口密集、部分地区负荷密度极高、很多城区需要建设地下变电站、90%以上的配电装置采用GIS等特殊情，GIT自20世纪80年代中期以来在日本发展迅速。到1994年底，日本的GIT累计产量已达18000MVA，形成了世界先一无二的局面。目前，日本有9家制造商可以制造气体绝缘干式变压器，其1995年至1996年的产量见表1。表1日本气体绝缘干式变压器产量(1995年4月~ 1996年3月)序列号制造商名称总容量/MVA较高电压等级生产/千伏准备生产/千伏1东芝公司1206 275 (500) 2三菱公司1171 500 3富士电气公司267 154 (275) 4日立公司225 154 (275) 5明典社公司143 77 6日新电气公司111 77高月制造有限公司， 32 77 8大阪干式变压器厂10 77 9爱知电气公司10 33需要指出的是，日本生产的GIT主要满足日本内市场的需求，只有少量出口到其他家和地区。 前些年三菱公司出口到香港的产品比较多，以132kV产品为主；这两年东芝主要出口北京。日本生产的git大部分容量小于30MVA，电压22、33、66、77kV，只有东芝、三菱、日立、富士电气生产过电压110kV及以上的git。其中三菱生产了近60台，东芝生产了30多台，富士电气只生产了5台。根据较新报道[5]，三菱公司开发了较新的500千伏单相GIT样品，容量为300/3MVA，采用SF6气体绝缘，液冷，铁芯采用外壳结构。这种结构对于解决大型GIT很重要

的运输问题十分有利。预期在下个世纪，该公司还将研制出500kV、1000/3MVA的GIT。 从日本各个公司所发表的供货记录中可知，东芝公司从1967年到1997年共生产了400多台GIT，较大容量为300MVA，较高电压为275kV，其产品特点为全SF6气体绝缘与SF6气体冷却。三菱公司从1979～1998年也生产了近400台GIT，其大容量产品的特点为SF6气体绝缘，液体冷却。富士公司从1982～1997年共生产了199台GIT，总容量为1684MVA。单台较大容量为40MVA。日新电机公司从1985～1996年间共生产了258台GIT，总容量为515MVA，单台较大容量为18MVA，年平均生产台数为21.5台。明电舍公司在1980～1997年间共生产了345台GIT，但以中小容量的产品为主，单台容量绝大多数都在10MVA以下，而较小容量仅为50kVA。而高岳制作所从1985～1998年总共只生产了133台、总容量418MVA的GIT，其单台较大容量为30MVA。至于大阪干式变压器与爱知电机公司，其生产规格与业绩就更低了。 应当指出的是，日本的GIT的高速发展时期是在1991～1996年间，当时日本全GIT的年平均产量均超过2500MVA。在生产量较大的年份，GIT的产量曾接近于同年油浸干式变压器产量的10%［4］。近年来，由于市场饱和以及经济不景气，加之GIT产品的出口量不多，GIT的产量已有下降趋势。根据笔者近期在日本的调查，一些大公司每月的平均GIT产量仅1～2台而已。 这里要特别强调的是日本并不是所有的地下变电所都采用GIT。例如在东京地区共有13个275kV的地下变电所，仅有2个变电所采用了GIT。其中有1个还是1997年底才投产的。在大阪与名古屋等大城市也有类似情况。再以日本第三大电力公司的中部电力公司(总容量3000多万kW)为例，属于该公司管辖范围内的已运行的GIT仅有45台，其中275kV级的大容量GIT仅3台，其余单台容量均在30MVA以下。由此可见，即使在日本，GIT也仅应用在一些特殊的场所。 对于欧美各发达家为什么很少生产与使用GIT(尽管这些家GIS的应用仍是很多的)，笔者曾就此专门询问过日本干式变压器行业一位很的人士。据他的说法，一方面是由于GIT的价格贵，而另一方面则是由于这些家的情与日本不同所决定的。这样的看法是否恰当，值得我们深思。 众所周知［1，2，3］，我在1985年前后由常州变、北京二变相继开发成功了10kV级的GIT，但迄今为止，由于价格等原因，加之10kV级环氧浇注式干变的大量涌现，使得10kV级GIT的销售一直不畅，据悉10多年间总共销售量尚不足百台。此外，前几年曾有过清华大学与北京二变共同研制开发110kV级GIT的报道［2］，但迄今为止尚未见有正式产品投产的消息发表。可见在GIT的这个领域，我的发展是缓慢的。 信息来源:http://tede.cn 在进口方面，在80～90年代中期，我的上海、北京、广州的有关企业曾先后从日本引进过少数几台10～35kV级的GIT，但由于价格太贵(为同容量油浸变价格的5～8倍)，因而这样的引进难以继续。1995年深圳供电局引进三菱公司的3台50MVA/110kVGIT［6］，可谓我供电部门正式引进110kV级GIT的较好步，但这几台GIT的引进价格也很贵，难于为一般供电部门所接受。到了1997～1998年，由于北京城网改造的飞速发展，一部分重要城区的变电所建设急需引进110kV级GIT，这时，销售方厂家之间都瞄准了未来的中市场而展开了激烈的价格战，使得北京供电局能以较为合理的价格在这两年间先后从东芝公司引进了十多台50～63MVA/110kV的GIT。这样短时间、大规模的引进，引起了内的许多供电部门与制造厂家的关注。 总的说来，110kV级的GIT是迄今为止尚不能实现产化的一种产品。 3GIT的结构、设计特点、制造过程及对生产厂房和工装设备等的要求 3.1GIT的结构和设计特点 GIT的结构原则上与油浸式变压器相同，其结构与设计上的特点主要在于绝缘与散热冷却两个方面。在绝缘设计上主要有： (1)SF6气体的绝缘强度与散热能力均与气体的压力有很大关系。具体来说，在大气压力下，SF6气体的绝缘强度仅相当于绝缘油的2/3，随着压力的增高，它的绝缘强度将不断增大。外现有GIT产品中，目前6～10kV级的GIT，一般采用的SF6气体的压力为0.12MPa，66～110kV级为0.13～0.14MPa(在满载时较大压力可以升到0.18MPa)，而275kV级为0.4MPa,500kV级为0.6MPa。随着压力的增大，其外壳(箱体)的结构必将日益复杂。 (2)SF6气体的绝缘强度与电场的均匀程度密切相关，在不均匀电场中，其绝缘强度将显著降低。而在高压干式变压器的结构中，要实现理想的电场均匀化，都是较为困难的。 (3)SF6气体的冲击比较之干式变压器油要小，因而在冲击下的绝缘强度对整个GIT的绝缘设计影响较大，为此，应当采用冲击性能较好的绕组(如纠结式绕组等)。 (4)SF6气体的相对介电常数为1，当与其他的固体绝缘材料组合成混合的气膜绝缘结构时，气体部分所分担的电压较大，为此应尽量选用相对介电常数较低的固体绝缘材料(如NOMEX纸及其压制品)。 SF6气体的散热冷却能力较差，这又是GIT特别是大容量GIT结构上的另一个难点。尽管大多数GIT都按E级绝缘来设计，其绕组平均温升为75K，但为了避免绕组的心脏部分的局部温升过高而形成较大的温度梯度，这部分的绝缘材料有时需选用耐热温度可达到C级的NOMEX纸及其制品。在冷却方式上，一般63MVA以下的GIT均采用SF6气体冷却的方式，中小型产品采用自冷式，较大容量产品采用强气循环冷却方式。但在100MVA以上的大容量产品中，东芝公司仍采用SF6气体强气循环冷却，而三菱公司与日立公司则均采用气体绝缘、液体(C8F16O)冷却的方式，其间又有喷射式与隔离式两种之分，其结构可参见参考文献［3］。 基于上述的绝缘与冷却两方面的特点，针对目前的GIT的结构，归纳起来，应注意下列特点。 (1)GIT的主绝缘一般采用气膜组合绝缘的方式。由于SF6气体的散热性能较差，匝绝缘一般采用PET聚脂薄膜或NOMEX纸。处在绕组内层温升较高部位的垫块、撑条等，要求采用耐热温度高的用NOMEX纸或聚脂纤维压制而成的绝缘件。因而GIT的绕组在绝缘材料方面的费用要大大超过油浸式变压器。 (2)如前所述，SF6气体为保证一定的绝缘强度，必须保持一定的压力。目前为了不致使受压容器的结构复杂化，对一般在63MVA/110kV及以下的GIT，其箱体均可以按压力不超过0.2MPa的受压容器来处理。这种结构的箱体厚度增加不多，但当SF6的压力提高到0.4MPa及以上时，其箱体结构就复杂化了。但无论前者或后者，由于都是受压容器，对其密封结构都必须给予专门的考虑。目前，日本在GIT的密封技术方面已相当成熟，其年泄漏率已小于千分之一，大大低于IEC标准所规定的值。 (3)由于SF6气体的散热性能较差，相应GIT的散热器的尺寸就较大，而且还是受压容器，因此在散热器方面的费用也较大。当采用强气循环方式时，要求采用高可靠性、低噪声、耐腐蚀的专用风机，而这种风机由于尚不能产，价格也是昂贵的。 (4)要求采用真空有载调压分接开关以及GIT的专用控制保护组件，这些部件中有的要求进口，从而将使产品成本增加。 (5)为了均匀器身内部电场以及减少器身内部可能出现的尘埃与金属微粒量，除了在设计上采取一定措施外，主要应在生产厂房的环境条件以及工艺管理、质量管理等方面严加控制。但在GIT的工艺与质量管理方面，我目前尚缺乏这方面的技术。 3.2GIT的生产制造过程 关于GIT的生产制造过程可参见图1，这里不拟详述。分析该图不难发现，较之油浸干式变压器，GIT的制造过程还是较复杂的。 图1SF6GIT的制造工艺流程 续图1 3.3对GIT生产厂房(车间)的环境要求 为了防止尘埃、金属微粒等在制造过程中混入GIT器身内部从而影响其绝缘性能，对GIT生产厂房的环境条件要求是较严的。根据日本的经验，对生产110kV级GIT的厂房(车间)在环境条件方面的要求如表2所示。具体而言，对一个已能生产110kV油浸变的工厂，必须先先按表2的要求对厂房进行技术改造之后，才有可能生产GIT。 表2对GIT生产车间的环境要求 绕线及绝缘车间 装配车间 总装车间 防尘等级/μm·m-3 ≤35.32×105 ≤35.32×105 ≤35.32×105 相对湿度/% ≤80 ≤80 ≤50 温度/℃ ≤30 ≤30 ≤30 3.4GIT生产用工装设备 除了与SF6气体的处理、回收以及特性试验等有关的装置及仪器设备外，GIT生产厂的工装设备基本上与油浸干式变压器厂相同。 4GIT的生产成本分析以及市场销售价的探讨 在叙述之前，先先应当指出一点：目前在我，干式变压器(主要是环氧浇注干变)的生产规模已达到世界领先的水平，干变的产量已远远超过日本。加之，干变的生产能力还远远大于市场的需要量，由于供大于求，市场竞争促使价格日益降低。近十多年的运行实践还证明，干变不仅免维护，而且运行也很可靠。目前干式变压器已被电力部门及广大用户所接受。因此，在可以生产干变的领域，GIT与之相比无论在结构的复杂程度、制造的难度或是在价格等方面，都难于与之相竞争。在进行下述分析时，对10kV级以及35kV的20MVA以下的GIT均不予以考虑。在这个范围内，除了极个别对防火、防潮要求很高、以及很特殊的场所，均不考虑GIT的应用。 具体来说，以下的成本分析主要针对35kV级20～31.5MVA以及110kV级20～63MVA，而以110kV为重点。 4.1110kV级GIT生产成本的分析 为了研究110kV级产GIT的生产成本，我们先先对110kV20MVA以及110kV63MVA两个典型的产品进行了初步设计。其中除真空有载分接开关以及部分专用组件需要进口之外，绝大部分原材料都可以实现内采购。根据设计所决定的各部分原材料消耗量，再按市场售价计算出各部分的材料成本并较终计算出这两个产品的总成本。表3为各部分成本在总成本中所占的比例。 从表3可以看出，在总成本中占比例较大的是绕组及引线部分，这主要是由于绝缘材料的价格昂贵所致。容量愈大，散热问题愈突出，这部分成本所占比例也愈大。而有载分接开关的价格与容量关系不大，当容量增大后，它所占比例反而降低。另外还可以看出，箱体(外壳)尽管是受压容器，但当压力＜0.2MPa时，这部分费用在总成本中所占的比例并不大。 表3110kV级GIT各部分成本所占比例单位：% 各部分成本的百分比 产品规格 铁心及 夹件 绕组及 引线 箱体 有载分接 开关及控 制柜 冷却 设备 套管等 组件 SF6 气体 总计 20MVA/110kV 25 30.5 4.2 21 10 5 4.3 100 63MVA/110kV 27.5 40.5 4 11.5 9 3.5 4 100 注：清洁场所的工作要求，按受控的环境防尘等级，根据每0.02832m3含大于0.5μm的微粒而定。 4.2110kV级GIT市场销售价的探讨 为了探讨产GIT的市场销售价，先先必须了解从日本进口的GIT的价格。 关于进口GIT的价格，可分为两个阶段。在1996年之前约为产油浸式变压器价格的5～8倍，这样的价位，内绝大多数用户都认为是难于承受的。但从1997年起，由于前述的原因，情况有了突变，1997～1998年间进口的50～63MVA/110kV的GIT的价格降为约相当于产油浸变价格的3～3.5倍。 因此，笔者认为，产110kVGIT的市场销售价应定位在油浸干式变压器售价的2～2.5倍为宜，其理由如下： (1)由于进口产品价仅为3～3.5倍，产品的售价只有较高不超过2.5倍，才可能为用户所接受。 (2)根据笔者计算结果的分析，当GIT的售价为油浸变的2倍时，厂家仍可获得一定的利润(该利润率将略高于目前110kV油浸变的平均利润率)，但如售价低于2倍，则难于保证厂家获利。不言而喻，如GIT的售价达到2.5倍，厂家将获得较为丰厚的利润。 (3)上述的价格定位，也是考虑了目前产干式变压器的价格水平，而这样的价格，已为广大用户所接受。 较后，还要附带说明一点，即在日本内，GIT的售价仅为同容量油浸变售价的1.4倍左右。那么，为什么在中却为2～2.5倍?因为这是以日本的油浸变售价为基础来计算的。由于原材料价格等两有较大出入，而日本油浸变售价本身就高出中油浸变售价许多的缘故。 5SF6气体在环境保护方面的问题给GIT的发展带来某些不确定因素 如前所述，SF6气体是一种无色、无臭、无毒、不燃、防灾性能十分优越的气体，特别是它具有优越的绝缘与灭弧性能，多年来已在断路器、GIS、GIT等输变电设备领域得到了广泛的应用。实践证明，它的分解物无毒，在运行检修中也都是安全的。另外，它不会破坏臭氧层，对土壤和水也不构成威胁。长期以来，人们并未对它的前景感到过担忧。 但是，SF6又是在化学上极其稳定的一种气体，它在大气中的寿命约为3200年［9］。特别是SF6具有很强的吸收红外辐射的能力，也就是说，SF6是一种有很强温室效应的气体。如以100年为基线，其潜在的温室效应作用为CO2的23900倍［7］。加之目前排放到大气中的SF6气体正以8.7%的速率在增长。应当指出，SF6的温室效应作用以往并非没有发现，只不过由于现存于地球大气中的SF6气体的浓度非常低，故认为它的影响较小，未给予认真的考虑之故［7，8］。 事情的变化发生在20世纪90年代初，随着世界范围内工农业生产的发展和人类活动的增加，由于温室效应气体的不断排放而促使地球升温，并直接威胁到人类的生存，从而日益引起了全球的关注。从1995年起由联合发起召开了“联合气候变暖框架公约缔约(FCCC)会议”，参加者主要为所有发达家及部分发展中家的代表，我也是该会议的成员。该会议自1995年起每年都要开会，来商讨防止地球变暖的对策。在1996年7月于日内瓦召开的该缔约第2次会议(简称COP2)上，明确将CO2、CH4、N2O、PFC、HFC以及SF6这6种气体定为必须加以限制的温室效应气体，但该次会议未明确规定限制的指标。到了1997年12月，该缔约会议于日本京都召开第3次会议(简称COP3)，会后发表了著名的“京都议定书”，明确指出了减少温室效应气体向地球的排放，先先是各发达家的责任。并明确规定了各发达家，对上述6种温室效应气体的排放量的削减指标，即：如以1990～1995年间的平均排放量为基准，到2008～2012年时，美应减少7%，欧洲应减少8%，日本应减少6%。我虽属发展中家，未被列入应削减的对象，但由于近年来中经济的高速发展，也有一些家在会上提出应把中列入削减对象之内，但未获通过［9］。 根据京都议定书的精神，各发达家自1998年度起，纷纷研究了各自应采取的措施。以日本政府为例，在通产省的组织下，经与制造业的行业协会以及各电力公司协商，提出了下列的应对措施［9］。 5.1减少SF6气体往大气中的排放量，提高气体的回收率 这里说的往大气中的排放量并不是指GIS、GIT类设备的自然泄漏量。如前所述，这种泄漏量每年还不到1/1000，完全可以忽略不计。这里所指的泄漏量主要是指产品在制造过程中由于充气、排气、试验的排放量，产品在安装及现场调试时的排放量，以及当运行时因设备检修的排放量等。对上述这些排放量不应让它不加限制地排于大气中，而应通过专用回收装置加以回收并经处理后得以再利用。 具体来说，日本在1997年末的SF6气体的回收率为60%，也就是说还有40%的SF6气体排往大气。为达到京都议定书中所提出的要求，日本要求研制新的气体回收装置，改进制造工艺，以使到2000年时回收率达到90%，到2005年时达97%。 5.2研究SF6的代用气体 这项研究的目的，是尽量不用具有或少用具有温室效应的SF6气体。实际上，对用N2气体代替SF6或对N2/SF6混合气体的研究，早在若干年前就已开始，但就应用于实际的产品而言，迄今并未取得突破性的成果。研究表明，当用N2来代替SF6时，如用于GIS中，将使它的尺寸增大1～1.6倍，且压力需提高2倍才行，因而是难于为用户所接受的。采用SF6/N2混合气体同样存在一些尚待解决的问题［8］。 信息来自:输配电设备网 基于上述情况，目前尚难以预测未来在环保方面是否将会对SF6制品(GIS、GIT等)提出更加严格的要求与限制或出台一些新的更加严厉的政策，从而给这类产品未来的发展前景增加了某些不确定因素。 基于上述这种不确定性，根据近期笔者在日本所做的调查，他们除了采用上述的加强回收、减少排放量等具体应对措施之外，还尽量考虑今后在能不用SF6气体时就尽量不用或少用，也就是说要致力于减少SF6气体的总使用量。当然GIS的巨大优点(主要是缩小变电站的占地面积)是其他装置无法代替的，况且迄今日本的变电所中95%都是采用的GIS。因而，对GIS今后主要致力于研制开发缩小尺寸，减少SF6用量的新型GIS以及SF6断路器，并逐步淘汰旧的产品。另外，在开关方面，尽量在110kV级以下均采用真空断路器。对于气体绝缘干式变压器，有部分专家则认为，由于它与油浸变相比在缩小占地面积方面的优点并不十分突出，只要能解决防火、防灾问题，油浸变完全可以代替GIT，今后应当更加慎重地考虑对GIT的使用。 6结论 (1)SF6气体绝缘干式变压器是迄今在防火、防灾型干式变压器中唯一能制造为高电压、大容量，且技术成熟的干式变压器。在当前我城网改造的热潮中，它正日益受到人们的关注。 (2)产GIT的研制和开发应重点放在110kV级20～63MVA的产品上。既要重视一些基础研究，又要重视GIT的制造工艺与质量管理，而正是在这方面我尚缺乏成熟的技术。现有的油浸变生产厂的生产车间只有在按要求进行认真的技术改造后才可能满足制造GIT的需要。 信息来源: (3)产110kV级GIT的销售价应定位为同容量油浸变价格的2～2.5倍。这一价位既可保证厂家获取一定利润，预期又可以为用户所接受。 (4)尽管GIT已有30多年的制造与运行经验，但它迄今在世界的干式变压器市场中所占的比重并不大，它仍属于一种处于不断发展中的产品，它目前的应用地区仍然具有很大的局限性，对它的优缺点必须有一个全面的认识。 (5)SF6气体在环保方面存在的问题，无疑将给GIT今后的发展带来某些不确定的因素。 作者简介：尹克宁(1935-)，男，四川人，西安交通大学教授，长期从事干式变压器设计、制造、运行以及高压输变电设备等方面课题的研究。 参考文献： ［1］应百川.气体绝缘干式变压器的发展动向［J］.电工技术，1989，(1)：1～3. ［2］徐政，李庆民，张节容等.110kVSF6气体绝缘干式变压器的开发研究［J］.干式变压器，1997，34(3)：11～17. ［3］陈宗器，丁伯雄.SF6气体绝缘干式变压器综述(上、下)［J］.干式变压器，1999，36(7)：33～37；(8)24～28. ［4］不燃性.难燃性干式变压器调查专门委员会.不燃性.难燃性干式变压器の现状ヒその动向［J］.日本电气学会技术报告，1993，(459)：1～15. 信息来自:#p#分页标题#e#