交流特高壓變壓器技術分析及展望

交流特高壓變壓器技術分析及展望

常伯濤1，楊玉洲2，李佩澤3

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊050031;2.河北省送變電公司，石家莊050051；3.國網河北省電力公司經濟技術研究院,石家莊050021)

摘要：介紹交流特高壓變壓器的發展現狀與交流特高壓變壓器的特點，分析分體布置的交流特高壓變壓器的布置特點、采用中性點變磁通調壓方式的交流特高壓變壓器的調壓補償方式、單柱容量334 MVA的三柱(繞組芯柱)結構和單柱容量500 MVA的雙柱結構的交流特高壓變壓器結構特點，結合工程應用，提出交流特高壓變壓器發展方向。

關鍵詞：交流特高壓變壓器；分體布置；調壓補償方式；結構特點

收稿日期：2015-02-10

作者簡介：常伯濤(1983-)，男，工程師，主要從事變電一次設計工作。

中圖分類號：T76

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2015)02-0006-03

Abstract:This paper summarizes the current situation of the development of UHV AC transformer,analyzes the characteristics of UHV transformer,focus on split-type layout，regulating transformer compensation mode analysis and structure features,Combined with engineering application,puts forward development direction.

Technical Analysis and Prospect of UHV AC Transformer

Chang Botao1，Yang Yuzhou2，Li Peize3

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China；2.Hebei Electric Power Transmission & Transformation Company,Shijiazhuang 050051,China；3.State Grid Hebei Economic and Technology Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Key words：UHV ac transformer；split-type layout；regulating transformer compensation mode；structure features

我國能源集中在西部，而負荷集中在東部，從而電網構成了西電東送、南北互供的輸電格局，采用特高壓遠距離、大容量輸送電力。特高壓變壓器在特高壓電網運行中發揮著重要作用[1]。以下總結了交流特高壓變壓器的發展現狀，分析交流特高壓變壓器的特點，重點對變壓器分體布置、調壓補償方式、結構特點進行分析，結合工程應用，提出發展方向。

1發展現狀

前蘇聯的1 150 kV變壓器均由烏克扎布熱變壓器廠生產，建成特高壓輸電工程，并投入運行。日本于1996年在新榛名變電設備試驗場進行最高電壓1 100 kV的帶電考核試驗。意大利在1980年與巴西、阿根廷和加拿大等國參與了國際聯合組織的1 000 kV特高壓輸變電技術開發工作[2]。

2008年天威保變公司和特變電工沈變公司分別為特高壓交流試驗示范工程制造了世界上單臺容量最大的1 000 MVA/1 000 kV特高壓交流電力變壓器，分別安裝在長治和荊門變電站，2010年在特高壓擴建工程中又使用了西電西變公司生產的變壓器。通過淮南-上海、浙北-福州工程的檢驗，我國特高壓變壓器的設計已日趨成熟。表1為1 000 MVA/1 000 kV特高壓變壓器典型技術參數[3]。

2總體布置

交流特高壓變壓器采用分體結構，變壓器分為本體和調壓補償變壓器兩部分。本體和調壓變壓器可以作為1臺完整的變壓器使用，也可以單獨使用[4]。主要考慮如下幾項。

表1單相變壓器主要典型參數

參數名稱典型參數額定容量/MVA高壓繞組1000中壓繞組1000低壓繞組334額定電壓/kV高壓繞組1050/3中壓繞組525(520、515)/3低壓繞組110額定阻抗高壓-中壓18%高壓-低壓62%中壓-低壓40%冷卻方式OFAF(主體變壓器)ONAN(調壓補償變壓器)

注：變壓器形式為單相、自耦、油浸式，調壓方式為無勵磁調壓，調壓位置為中性點。

a. 特高壓變壓器容量大、電壓高、繞組多、絕緣水平高，導致變壓器質量和體積都很大，如果將調壓與補償繞組也放入變壓器本體，那么變壓器結構將變得非常復雜，絕緣處理也將更加困難，質量和體積會成為運輸的重要難題。

b. 采用分體結構保證在調壓補償變壓器故障的情況下，變壓器本體仍然可以單獨運行，主體與調壓補償變壓器利用架空分裂導線連接，并在主體上架設支撐絕緣子進行過渡。在調壓變壓器退出運行時，直接將線路導線接在相應絕緣子上，即可實現主變壓器單獨運行，提供系統的可靠性。圖1為單相變壓器布置示意圖。

圖1　單相變壓器布置示意

已投運的交流特高壓變電站的變壓器均采用分體結構，但對于運輸條件不便的站址，本體變壓器的運輸問題成為工程成敗的難點，制約特高壓變電站的建設。如何從變壓器設計布局方案的整體角度出發，解決大件運輸問題成為重點研究的工程。如拆卸式引線裝置結構或采用三柱結構代替兩柱結構解決超寬問題；拆卸上鐵軛和引線裝置利用臨時箱蓋運輸減輕重量并解決超高問題；利用可拆卸外置有載分接斷路器結構解決超長問題。或者采用“現場組裝”方式，為大容量變壓器的設計提供思路。

3調壓補償方式

自耦變壓器的調壓一般采用中壓線端調壓和中性點調壓2種方式。對于特高壓變壓器，由于中壓為500 kV級，若采用500 kV線端調壓，絕緣水平相對較高，線端侵入波時調壓斷路器和調壓繞組受到較高電場的作用，不僅絕緣結構復雜，而且目前尚無可用的調壓斷路器。因此，現階段特高壓變壓器均采用中性點變磁通調壓方式。接線原理見圖2[5]。

HV-串聯繞組；MV-公共繞組；LV-低壓繞組；

在系統電壓變化時，如果調整檔位，則三側電壓均要隨之變化，有可能會使低壓側電壓波動過大無法使用。為了保證低壓側電壓恒定，在調壓補償變壓器中設置有PV和BV，用于補償低壓側電壓波動。由于調壓補償變壓器中有2個鐵心，因此，這7個繞組的電磁耦合關系為：HV、MV、LV有電磁耦合，HV、MV、LV每匝繞組的感應電動勢相同；PV、BV有電磁耦合，每匝繞組感應電動勢相同；PV、TV有電磁耦合，每匝繞繞組感應電動勢相同。

當中壓側系統電壓高于額定值(525 kV)時，分接頭在1-4檔，加在調壓繞組上電壓為正，則公共繞組和勵磁繞組上電壓降低。可知在鐵心中磁通量將降低，串聯繞組HV感應電壓將降低，則中壓側系統電壓升高時，高壓側感應電壓基本不變；低壓繞組感應電壓降低，由調壓繞組感應出和低壓繞組同方向電壓進行補償，低壓側電壓也基本保持在額定值。

當中壓側電壓低于額定值時，分接頭在6-9檔，其極性端與1-4檔時正好相反，加在調壓繞組上電壓為負，則加在公共繞組上電壓超過額定電壓，鐵芯中磁通增加，公共繞組感應電動勢升高，高壓側電壓維持不變；低壓繞組感應電壓升高，而調壓繞組感應電壓方向和低壓繞組電壓方向相反，由調壓繞組感應補償電壓和低壓繞組電壓方向也相反，因此經補償后低壓側電壓在偏離額定電壓很小處波動。

通過以上分析，通過調節調壓補償變壓器的檔位，實現中壓側調節范圍為±5%時，保證低壓側電壓變化不超過±0.2 kV。

隨著特高壓電網的發展，無功電壓控制問題日益突出，有載調壓成為發展方向。皖電東送淮南至上海特高壓交流工程蕪湖變電站在聯網系統正常運行狀態下成功進行了特高壓交流變壓器有載調壓全循環操作，首次在實際運行的特高壓交流系統中應用變壓器有載調壓技術。此次實際運行操作的成功進一步驗證了特高壓交流變壓器有載調壓技術的有效性和可靠性，為更好解決特高壓電網無功電壓控制難題、提高特高壓電網運行靈活性提供了重要技術手段。

4結構特點

特高壓變壓器按自耦變壓器心柱容量主要分為2種，一種是三柱(繞組心柱)結構，單柱容量為334 MVA，另一種是雙柱結構，單柱容量500 MVA[6]。

三柱結構的自耦變壓器鐵心采用四框五柱式，即三主柱帶兩旁柱。調壓變壓器鐵心采用單框三柱式，即一主柱帶兩旁柱。補償變壓器鐵心采用口子式，即一主柱帶一旁柱。主柱、旁柱、鐵軛截面相同。雙柱結構的自耦變壓器鐵心采用四柱式結構，即兩主柱帶兩旁柱，調壓變壓器、補償變壓器鐵心同三心柱式結構。

兩種心柱結構變壓器在高壓、中壓側原理基本相同，原理不同主要在低壓側。三心柱結構變壓器的調壓變和補償變全為變磁通，調壓繞組絕緣水平一般(140 kV)，調壓時低壓側電壓需要更為精確的補償．調壓繞組和勵磁繞組的匝數多，制造工藝比較成熟。雙心柱結構變壓器的調壓變為恒磁通，主勵磁繞組絕緣水平較高(275 kV)，補償變為變磁通。勵磁涌流小、雜散損耗小、匝數少、調壓時電壓波動小，且調壓時低壓側電壓補償易實現。制造工藝要求較高。

5工程實例

特高壓試驗示范工程選擇三心柱方案，主要出于以下幾點考慮：特高壓變壓器容量單相1 000 MVA，如果采用兩心柱方案，那么鐵心柱高度也必然增加,可能會導致變壓器高度過高，造成運輸困難；相對于兩心柱每柱500 MVA的設計，三心柱每柱334 MVA的設計更加成熟可靠。其擴建工程中兩心柱結構變壓器成功解決心柱高度等問題，并順利通過型式試驗。

隨著系統需求容量的增加，對特大容量變壓器的需求日益增強，雅安至武漢特高壓交流工程中武漢站提出了變壓器容量為4 500 MVA(單相1 500 MVA)需求，試驗示范擴建工程中的變壓器成功采用兩心柱結構(每柱500 MVA)，為單臺容量1 500 MVA特高壓變壓器研制提供了參考。

6結束語

特高壓交流輸電一種資源節約型和環境友好型的先進輸電技術，以上總結了交流特高壓變壓器的發展現狀，分析交流特高壓變壓器的特點，重點對變壓器分體布置方案、調壓補償方式、心柱結構特點進行分析，結合工程應用，提出如何減少變壓器外形尺寸、有載調壓變壓器、超大容量變壓器的發展趨勢。

參考文獻：

[1]劉振亞．中國特高壓交流輸電技術創新[J]．電網技術，2013，37(3)：6-13.

[2]劉振亞．特高壓交流電氣設備[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]劉振亞．國家電網輸變電工程通用設備1 000 kV變電站分冊[M].北京：中國電力出版社，2013.

[4]萬達．特高壓交流變壓器和并聯電抗器的技術特點[J]．華東電力，2014，42(1)：13-16.

[5]孫多．1 000 kV變壓器調壓方式選擇及運行維護[J]．中國電力，2010，43(7)：29-33.

[6]田秋松，張勁光，張健毅，等．兩種不同心柱特高壓變壓器的差異分析[J]．河南電力，2013，21(7)：1-4.

本文責任編輯：丁力