一種超高壓線端恒磁通調壓結構

張曉陽，孫振威，徐天錫

（1.山東電力設備有限公司，濟南250022；2.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255032）

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一種超高壓線端恒磁通調壓結構

張曉陽1，孫振威1，徐天錫2

（1.山東電力設備有限公司，濟南250022；2.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255032）

通過分析現有自耦電力變壓器常用調壓結構的限制和弊端，結合目前電網對新型調壓結構的需求，提出一種雙器身的超高壓線端恒磁通調壓結構，并分析了實現該結構的關鍵技術。

自耦電力變壓器；超高壓線端；雙器身

0 引言

自耦變壓器與普通電力變壓器的區別是一、二次繞組除了有磁的耦合外，還有電的直接聯系。正是這一原因，在傳輸容量相同的條件下，自耦變壓器與普通變壓器相比，不但體積小、重量輕、造價低，而且效率高。在高壓和超高壓電力系統中，廣泛采用自耦變壓器作為聯絡變壓器。而對于大容量變壓器，受重量、體積、造價等因素限制，客觀上要求必須采用自耦變壓器。

自耦電力變壓器相比于獨立繞組變壓器，也有其明顯的缺點，其中調壓困難就是突出的問題之一，調壓結構設計是自耦變壓器尤其是超高壓自耦變壓器設計首要解決的一個問題。

1 自耦變壓器常用調壓結構

自耦電力變壓器常用的調壓結構有多種分類方法，可根據調壓部分所處的位置簡單分為3類：串聯繞組末端調壓、公共繞組首段調壓和中性點調壓，其中前兩種調壓方式為線端調壓。

1.1 線端調壓

線端調壓包括高壓側調壓和中壓側調壓。高壓側調壓一般將調壓位置置于串聯繞組末端，原理如圖1；中壓側調壓一般將調壓位置置于公共繞組首端，原理如圖2。

圖1 串聯繞組末端調壓原理

圖2 公共繞組首端調壓原理

線端調壓為恒磁通調壓，鐵芯內磁通不變，低壓側電壓也不波動，這也是該調壓結構一個明顯優點。但在該調壓結構中，調壓繞組所處的位置，決定了調壓開關、調壓繞組以及調壓引線均處在公共繞組線端的高電場中，給絕緣設計帶來困難，限制了該調壓結構的應用。

采用線端調壓結構的自耦變壓器在設計時調壓開關的選擇是個無法避免的難題，甚至因無法選到合適的開關而不能采用。該結構中，開關的絕緣水平取決于公共繞組線端的絕緣水平，公共繞組線端絕緣水平越高，則分接開關制造難度與價格越高。然而對于調壓開關制造廠家而言，受限于技術水平、尺寸限制、實用性等因素，其能制造的調壓開關的絕緣水平是有上限的。目前已知的開關產品中，絕緣水平最高為362 kV等級。因此當公共繞組的絕緣水平在362 kV以上時，由于開關制造能力的限制，采用常規線端調壓結構是無法實現的。

1.2 中性點調壓

當公共繞組的電壓較高，超出了現有開關的制造能力，無法采用上述常規線端調壓結構時，目前的做法通常是將調壓位置挪至中性點的位置，即采用中性點調壓結構，其調壓原理如圖3所示。

圖3 中性點調壓原理

中性點調壓屬于變磁通調壓，在該調壓結構中，調壓繞組所處的位置，決定了調壓開關的絕緣水平取決于中性點的絕緣水平。對于分級絕緣變壓器，中性點絕緣水平低于線端的絕緣水平，因此該調壓方式可以采用較為經濟的低絕緣水平的調壓開關，調壓繞組和調壓引線的絕緣要求也相應降低，這也是該調壓方式最大的優點。

但是中性點調壓由于鐵芯中磁通是變化的，鐵芯容易出現過勵磁和欠勵磁，鐵芯過勵磁會導致變壓器空載電流上升，空載損耗增加。同時由于穿過第三繞組的磁通變化，會帶來第三繞組電壓的波動。電網中自耦變壓器的第三繞組有時作為工作繞組，對這種電壓波動是需要嚴格限制的。因此中性點調壓結構有時是不能直接應用的，而是需要增加相應的補償變來保證第三繞組電壓的穩定，帶第三繞組補償的中性點調壓原理如圖4所示。

圖4 帶第三繞組補償的中性點調壓原理

我國的特高壓自耦變壓器，中壓達到了500 kV，超出了現有的調壓開關制造能力，因此采用的就是如圖4所示的帶第三繞組補償的中性點調壓結構，此類變壓器包括3部分：主體變壓器、調壓變壓器、補償變壓器，而調壓變壓器與補償變壓器一般置于另一單獨的油箱。該結構無疑將增加變壓器的設計難度和制造成本，并增加損耗和占地面積，降低變壓器的經濟性。

2 超高壓線端調壓的需求分析

如前文所述，對于公共繞組達到超高壓等級水平的自耦變壓器，傳統的線端調壓結構由于開關制造能力限制無法適用，而中性點調壓包括帶第三繞組補償的中性點調壓也有明顯的弊端，因此需要設計一種新的超高壓線端調壓方式來滿足公共繞組達到超高壓等級的自耦變壓器設計需求。

我國多種超高壓電壓等級電網并存現象和潛在聯網需求對公共繞組達到超高壓電壓等級的自耦變壓器提出了需求。目前我國超高壓骨架電網存在500 kV與750 kV兩種等級并存的現象，750 kV電網主要分布在西北電網，其他地區均采用500 kV電網。隨著經濟的不斷發展，電網的規模逐步擴大，要求電網間功率交換的情況是越來越廣泛，這就需要將不同省份間的區域電網聯系在一起，形成更為強大的電網。若今后西北電網與其他電網聯網，屆時將需要大量的750 kV超高壓自耦變壓器作為聯絡變壓器，該聯絡變壓器的中壓電壓可達到500 kV的超高壓電壓等級。

我國的特高壓自耦變壓器，其中壓線端電壓目前均采用500 kV等級，從長遠的發展考慮，今后如果特高壓電網與西北網聯網，屆時特高壓自耦變壓器作為聯絡變壓器其中壓可能達到750 kV等級。

在國外某些國家同樣存在兩種超高壓電網并存的情況，如在埃塞俄比亞就存在500 kV及400 kV兩個等級的超高壓電網，隨著該國的經濟發展，今后勢必也將面臨兩個超高壓電網聯網的問題，將會對高壓500 kV等級、中壓400 kV等級聯絡變壓器有一定的需求。

3 超高壓線端恒磁通調壓

3.1 原理

針對上述自耦電力變壓器常用調壓結構的限制和弊端，結合目前電網對新型調壓結構的需求，提出了一種雙器身的超高壓線端恒磁通調壓結構，調壓原理如圖5。該結構可將調壓開關的絕緣水平控制在較低的范圍內，使變壓器可以采用串聯繞組末端（或公共繞組首端）調壓的恒磁通調壓結構，并且不需要補償變壓器的設計。

該調壓結構為一種雙器身的結構。工作時，主變器身的鐵芯內磁通是恒定不變的，調變器身的鐵芯內磁通是變化的。主變器身中設計一激磁調壓線圈（JTV），該線圈獨立于串聯繞組（HV）與公共繞組（MV）之外，但與串聯繞組、公共繞組均套裝于主柱鐵芯上；串聯繞組與公共繞組電勢所建立的主柱磁通將在激磁調壓繞組產生感應電勢，激磁調壓繞組與有載調壓開關相聯，當有載調壓開關的檔位調節時，主柱磁通將按照設定的調壓比例引入調變器身中的調壓繞組（TV），調變的磁通數值將隨有載調壓開關的檔位調節而變化。因為有載調壓開關的檔位與主柱中的繞組相聯，而主柱的磁通是恒定的，因此該結構為恒磁通調壓結構。

圖5 公共繞組線端恒磁通調壓原理

調壓繞組串聯于串聯繞組與公共繞組之間，因調壓繞組的匝數固定不變，當調變磁通發生變化時，調壓繞組的電勢隨之變化，進而實現調節電壓的功能。

另外，激磁調壓繞組與激磁繞組所組成的并聯回路中的某一點接地，使電位鎖定為地電位，同時將激磁調壓繞組的各分接檔位的電位均限定在較低水平，從而實現利用絕緣水平較低的有載調壓開關完成電壓調整的目的。

3.2 優點

超高壓線端恒磁通調壓結構解決了自耦變壓器公共繞組達到超高壓電壓等級時不能采用恒磁通調壓的難題，相比其他調壓方式具有明顯優點。

該結構可以利用絕緣水平降低的調壓開關完成電壓的調整，降低了變壓器分接開關制造難度與造價，使得公共繞組達到超高壓電壓等級及以上的變壓器也可以采用串聯繞組末端（或公共繞組首端）調壓的恒磁通調壓結構。

相比目前采用的中性點變磁通調壓，恒磁通調壓的方式避免了變磁通調壓的弊端，同時不需補償變壓器的設計，簡化了變壓器的整體結構，降低了變壓器設計難度與制造成本，減小了變壓器的占地面積，降低了變電站的設計與建造成本。

3.3 超高壓線端恒磁通有載調壓變壓器的設計和制造

以超高壓線端恒磁通調壓為基本原理，設計制造了模型樣機，該產品已按照IEC60076標準要求，順利通過了相關技術論證和出廠試驗，結果滿足標準，試驗數據與設計值基本一致。模型參數如表1所示。

表1 模型產品參數

表2 變壓器短路阻設計與試驗數據對比%

雙器身結構的超高壓有載調壓自耦變壓器的電磁計算方法及其特有結構的關鍵部件設計方案是具體變壓器設計的關鍵。

變壓器的最終阻抗由兩部分組成：主體變阻抗與調壓變阻抗，即調壓變器身的阻抗應根據線圈組的容量分配按照一定比例進行折算，折算后的調壓變阻抗與主體變阻抗相加的合成阻抗才為產品的最終阻抗。

為了保證計算的正確性，采用了不同計算方法相互驗證的方式，結合多年的自耦變壓器設計經驗，對阻抗修正系數進行了確定。

短路阻抗的計算值與試驗數據對比如表2所示，可看出試驗值與計算值偏差在可接受范圍內。

4 結語

所設計的調壓結構可以解決兩個高于500 kV的超高壓電網聯接時聯絡變壓器的設計問題，顯著降低其制造成本。該結構完全可以推廣應用到特高壓自耦變壓器上，可以簡化特高壓自耦變壓器的結構，降低特高壓自耦變壓器的制造成本。

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A Constant Flux Voltage Variation Structure on Ultra High Voltage Terminal

ZHANG Xiaoyang1，SUN Zhenwei1，XU Tianxi2
（1.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250022，China；2.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255032，China）

By analyzing the limitation and disadvantages of the common voltage regulating structure of the autotransformer，a constant flux voltage variation（CFVV）structure on the ultra-high voltage terminal of double body transformer is presented combined with the demand of the new voltage regulating structure in the power grid.The key technology to realize the structure is analyzed.

autotransformer；EHV line terminal；double body

TM41

A

1007－9904（2016）11－0073－04

2016-05-31

張曉陽（1974），男，高級工程師，主要從事變壓器設計與研發工作。