特高壓變壓器調壓方式及原理分析

趙東森，徐育福

（1.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077;（2.國網福建省電力有限公司檢修分公司,福建 福州 350013)

0 引言

超高壓交流電網變壓器一般為自耦變壓器，大多數采用單相三柱鐵芯，單柱或兩柱套線圈結構，單相或者三相一體式。特高壓交流電網變壓器一般為主體變和調補變分箱布置，采用單相四柱或單相五柱鐵芯，兩柱或三柱套線圈結構。目前，超特高壓變壓器單相容量范圍為250～1 000 MV·A。按調壓方式分，可分為有載調壓和無載調壓。按調壓繞組位置分，可分為中壓側線端調壓、中性點調壓和串聯繞組末端調壓等三種[1]，一般的調壓方式如圖1所示。有載調壓開關的故障在變壓器故障中占有很大比例，有載調壓變壓器的故障率約為無載調壓變壓器的4倍，而有載調壓裝置自身的故障約占40%[1]，所以前者會增加變壓器結構的復雜性和造價成本，且降低了變壓器的運行可靠性。目前，超特高電網變壓器一般采用無載調壓方式。

圖1 變壓器一般調壓方式Fig.1 Transformer general voltage regulation mode

超高壓變壓器多數采用中壓側線端調壓，按照箱體來分，單相自耦或三相自耦，用來聯絡500 kV與220 kV電網，其線端調壓絕緣水平為220 kV。特高壓變壓器若采用500 kV線端調壓，絕緣水平相對較高，線端入波時調壓開關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開關。因此，現階段特高壓變壓器只能采用中性點變磁通調壓方式，用來聯絡1 000 kV與500 kV電網。

1 線端調壓原理分析

超高壓電網常采用中壓線端調壓方式。由于在調壓時繞組的每匝電壓不變，不會引起鐵芯磁通改變，所以這種調壓方式稱為恒磁通調壓。當中壓側電壓調整時，低壓側電壓不受或少受影響。因變壓器中壓側額定電流大、引線粗，當采用線端調壓時，大量引線的絕緣處理難度大，高場強區域范圍較大，因而中壓側線端往往成為變壓器絕緣的薄弱點。特高壓變壓器采用中性點調壓方式，主要是由變壓器的自身特點來決定。1 000 kV級變壓器首先應該考慮絕緣問題，如采用線端調壓方式，則調壓裝置的絕緣水平要求很高，其可靠性難以保證。

中壓側線端調壓方式，常見接線情況如圖1(a)、(b)所示。此調壓方式將調壓開關直接接于中壓側出線端部，當高壓側電壓保持不變、中壓側電壓變化時，按電壓升高或降低相應地增加或減少匝數，保持每匝電勢不變，從而保證自耦變壓器鐵芯磁通密度為一恒定數值，消除過激磁現象，使第三繞組電壓不至于發生波動。如果高壓側電壓變化時，變壓器的勵磁狀態雖然也會發生變化，影響到低壓側的電壓數值，但這種變化遠較中性點調壓方式為小，不會大于電壓波動范圍。

串聯繞組末端調壓方式，如圖1(d)所示。它在高壓側串聯繞組處直接進行調壓，當高壓側電壓升高時，相應增加線圈匝數，當高壓側電壓降低時，相應減少線圈匝數，是一種保證鐵芯磁通密度恒定的線端調壓方式。該方式可克服中性點調壓帶來的電壓波動問題，使中壓側和低壓側電壓保持不變。

通常情況下，1 000 kV變壓器常采用圖1（c）調壓方式調壓，500 kV變壓器多采用圖1(a)、(b)調壓方式調壓，330 kV三相自耦變壓器多采用圖1(d)調壓方式調壓。

2 中性點調壓原理分析

中性點調壓方式，見圖l(c)所示，這種調壓方式的最大優點是調壓繞組及調壓裝置的工作電壓低，絕緣水平要求較低；工作電流小，工作電流為公共繞組電流，即中壓側電流與高壓側電流之差，其值約為中壓側電流的54%。但中性點調壓方式的問題是由于調壓線圈設在公共繞組上，當調整分接頭位置時，則不僅中壓側電壓發生變化，高壓側電壓也相應變化。同時，第三繞組也會出現電壓偏移現象，當升高中壓側電壓時，將降低低壓側的電壓，如果中壓側電壓變化較大，有可能導致低壓側無法使用。而且，中性點調壓也稱為變磁通調壓，調壓過程中主繞組的感應電勢隨之變化，從而可能出現過激磁現象[2-5]。

圖2繞組聯結圖Fig.2 Transformer winding connection diagram

中性點調壓方式的最大優點是調壓繞組和調壓裝置的電壓低，絕緣要求低，制造工藝易實現，整體造價低。本文以某特高壓變壓器為例，型號為ODFPS-1000000/1000，1050/3/525/3 ±4×1.25%/110 kV，總體外部結構采用獨立外置調壓方式，即變壓器本體與調壓補償變分箱布置，設置補償繞組限制因分接位置變化引起低壓側電壓波動。

某特高壓主變壓器的鐵芯采用單相五柱式，三個立柱的高壓繞組、中壓繞組和低壓繞組分別并聯引出，每柱上的繞組排列順序為：鐵芯柱-低壓繞組=中壓（公共）繞組-高壓（串聯）繞組。其7個繞組的匝數如下：NHV=NMV=854；NLV=310；NPV=649；NPV'=460；NBV=86；NTV=±45×4，1檔位時為45×4，9檔位時為-45×4，1到9檔位分接等差遞減[5]。第1檔位X2對應于分接開關的端子為8[4]。

圖3 中性點調壓原理圖Fig.3 Principle diagram of transformer neutral point voltage regulation

為了保證低壓電壓恒定，將補償繞組串入低壓繞組，在補償變壓器中設置有PV'和BV，用于補償低壓電壓的波動。由于調壓補償變中有2個鐵芯，主體變中有1個鐵芯。鐵芯中將分別產生磁通為Φ1、Φ2、Φ3，且每磁通導致磁通流過繞組每匝線圈感應出的電動勢分別相同，依次為e1、e2、e3。磁通與感應電動勢關系為Φ=e/4.44f，f為系統頻率，圖3中虛線表明磁通流通的示意情況。因此，這7個繞組的電磁耦合關系如下：HV、MV、LV有電磁耦合,PV，TV有電磁耦合、PV'、BV有電磁耦合,根據圖3中的電磁耦合關系，可推出公式（1）、（2）。

圖4 調壓過程中典型電氣參數變化情況Fig.4 Typical electric parameters in transformer voltage regulation process

UHP、UMP、ULP分別為高壓、中壓、低壓相電壓。可以通過式（1）、式（2）分析調壓情況。其中額定檔位為第5檔位，此時調壓繞組TV的分接開關的端子為4，調壓繞組接入匝數為零，相當于X與X3、X2、X1短接，調壓變退出運行，補償變和主體變運行，此時式（1）（2）中的e3為0。

按照公式（1）（2），以及上文中的某特高壓主變7個繞組匝數情況，分別對感應勢e、高電壓側相電壓U、磁通量Φ進行作圖，如圖4所示。從圖中，知曉三個Φ1、Φ2、Φ3對應于每檔均發生變化，高壓側電壓始終不變，低壓側相電壓波動范圍為[-0.135，0.169]%，中壓側相電壓調節范圍為[-5.30，4.793]%，其變化關系為線性，滿足相關技術條件。

3 中性點調壓補償原理分析

圖5 分接開關分接頭為1、2、3、4檔時繞組電勢圖Fig.5 The transformer tap changer is divided into 1,2,3,4,and the winding potential diagram

當分接頭為1、2、3、4檔時，繞組電勢圖見圖5。此時，主體變公共繞組(MV)末端正向串聯了調壓繞組(TV)，主體變變比和電勢方向固定，調壓變調壓繞組(TV)與主體變高壓繞組(HV)和公共繞組(MV)電勢方向相同，高壓側電勢大小EAX=EHV+EMV+ETV，中壓側電勢大小EAmX=EMV+ETV；補償變勵磁繞組(PV')電勢大小和方向與調壓變調壓繞組(TV)相同，補償繞組(BV)與主體變低壓繞組(LV)正向串聯，電勢方向相同，低壓側電勢Eax=ELV+EBV；調壓變勵磁繞組(PV)電勢大小和方向與低壓側相同(EPV=Eax=ELV+EBV)。設高壓側電壓大小不變，相比額定檔位，由于正向串聯調壓繞組(TV)，ETV正向分壓導致EHV、EMV、ELV大小均減小，而EHV減小將使中壓側EAmX變大(EAmX=EMV+ETV)，實現中壓側電壓調高的調節；同時ETV正向分壓使EPV'大小增加，EBV隨之增加，從而補償由于ELV減小而導致低壓側Eax的變化，實現低壓側補償功能(Eax=ELV+EBV)。

圖6 分接開關分接頭為6、7、8、9檔時繞組電勢圖Fig.6 The transformer tap changer is divided into 6,7,8,9,and the winding potential diagram

當分接頭為6、7、8、9檔時，繞組電勢圖見圖6。此時，主體變公共繞組(MV)末端反向串聯了調壓繞組(TV)，主體變變比和電勢方向固定，調壓變調壓繞組(TV)與主體變高壓繞組(HV)和公共繞組(MV)電勢方向相反，高壓側電勢大小EAX=EHV+EMV-ETV，中壓側電勢大小EAmX=EMV-ETV；補償變勵磁繞組(PV')電勢大小和方向與調壓變調壓繞組(TV)相同（此時與分接頭在1、2、3、4檔時的電勢方向是相反的），補償繞組(BV)與主體變低壓繞組(LV)正向串聯，電勢方向相反，低壓側電勢大小為Eax=ELV-EBV；調壓變勵磁繞組(PV)電勢大小和方向與主體變低壓繞組(LV)相同(EPV=Eax=ELV-EBV)。設高壓側電壓大小不變，相比額定檔位，由于反向串聯調壓繞組(TV)，ETV反向分壓導致EHV、EMV、ELV大小均增加，而EHV增加將使中壓側EAmX減小(EAmX=EMV-ETV)，實現中壓側電壓調低的調節；同時ETV反向分壓使EPV'反向增加，EBV隨之反向增加，從而補償由于ELV增加而導致低壓側Eax的變化，實現低壓側補償功能(Eax=ELV-EBV)。

4 結論

某ODFPS-1000000/1000變壓器總體外部結構采用獨立外置調壓變方式，即變壓器本體與調壓補償變分箱布置，現場通過外接引線把變壓器本體與調壓補償變連接起來使用。

1 000 kV變壓器采取了中性點變磁通調壓的調壓方式,如果不采取措施,其低壓輸出電壓將隨分接位置的變化而變化。分析其變化率最大將超過±5%,這是系統運行所不允許的,通過實例，為了控制這種變化,補償繞組來補償低壓電壓,使低壓輸出電壓偏差控制在1%以內，數據表明其調壓變化情況為線性，滿足相關的技術要求[6-8]。

本文從線端調壓、中性點調壓及補償原理分析著手，闡述了特高壓變壓器的調壓方式和原理，對設備生產、運行、檢修起到一定的參考價值。

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