220kV自耦變壓器推廣應用的技術經濟分析

李洋

摘 要：變壓器作為電力系統主要的電氣設備，對電網的安全、可靠、經濟運行起著關鍵的作用。220kV變電站的主變選型在綜合考慮電力負荷發展及潮流變化，結合系統短路電流、系統穩定、協調繼電保護等因素的情況下，同時計及造價和能耗產生的顯著效益，推薦優先采用自耦變壓器。本文在分析自耦變壓器結構特點的基礎上，結合系統的具體情況對現階段自耦變壓器在220kV變電站的使用提出建議。

關鍵詞：自耦變壓器 節能降耗 技術經濟分析

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（b）-0043-02

變壓器作為電力系統主要的電氣設備，對電網的安全、可靠、經濟運行起著關鍵的作用。220kV系統的降壓變電站通常采用3個電壓等級的變壓器，其中“高壓-中壓”（220kV/110kV）是電能的主要傳輸方向，而10kV低壓側通常安裝無功補償設備，并向周邊低壓負荷供電。

220kV變電站通常有采用三繞組變壓器（簡稱三圈變）和三相一體的自耦變壓器（簡稱自耦變）兩種變壓器的方式，目前國內投入電網運行的220kV變壓器大部分為三圈變。從20世紀80年代初期開始，華東地區部分省份開始嘗試應用自耦變壓器。由于在技術和經濟上的優勢，自耦變壓器目前在華東電網和南方電網的220kV變電站中得到普遍使用。

本文通過技術經濟分析認為，在目前電網規劃和建設的新形勢下，自耦變與三圈變相比，在提高電網輸送能力和穩定水平、節約能耗、節約占地面積、降低運輸成本等方面，具有非常顯著的優勢。

1 自耦變壓器的結構特點

自耦變壓器為普通雙圈變壓器副邊繞組合并到原邊（公共繞組）后形成，與普通雙圈變相比，自耦變節省了一個副邊繞組，其原、副邊繞組之間不僅有磁的聯系，也存在電的聯系。自耦變公共繞組和串聯繞組銅線截面不同，采用自耦變可以節省制造材料，其變比越小，效果越明顯。普通變壓器由于鐵芯截面較大，一般采用三相五柱式鐵芯結構；三相一體的自耦變壓器鐵芯截面較小，一般采用三相三柱式鐵芯結構。

2 自耦變壓器對系統穩定的影響

2.1 自耦變變比

變壓器電磁容量與額定容量的比值：被稱為自耦變壓器的效益系數，該比值越低，輸送效率越高。當兩個電網的電壓等級越接近，變壓器變比越小，自耦變相對三圈變效率優勢越大。500kV和220kV變壓器變比小，傳輸效率高，采用自耦變優勢明顯。

2.2 自耦變運行方式

自耦變壓器的利用效率受運行方式的影響，220kV變電站通常為高壓向中、低壓供電，這樣可以充分發揮自耦變優勢，使傳輸容量達到最大。

2.3 系統單相短路電流的控制

由于自耦變壓器零序阻抗值較小，所以，在靠近電廠的220kV站點和500kV變電站可能會引起單相短路電流超過三相短路電流。表1以某220kV片區電網為例，研究220kV變電站使用自耦變和三圈對500kV變電站220kV母線單相短路電流水平的影響。

由表1可知，在500kV變壓器中性點增設小電抗器是限制500kV變電站220kV母線單相短路電流的有效措施， 而全部改用三圈變的效果比在500kV主變中性點加裝小電抗的效果要差很多。

3 自耦變壓器對主變控制、保護的影響

三繞組變壓器的中性點接地可以通過調度方式來調整，因此系統零序網絡能夠保證不發生變化，但自耦變因為中性點必須直接接地，其零序網絡是相對固化的，如果運行方式發生改變，系統零序網絡也會相應發生變化。

當自耦變壓器的運行方式發生改變時，解決零序電流的繼電保護整定困難的問題可以通過以下措施得以解決：（1）將原零序電流保護改為微機接地距離保護；（2）系統主保護采用光纖縱聯分相電流差動保護。通過采用這些措施，自耦變壓器保護與三繞組變壓器相比只需對其公共繞組增加配置1段2時限過流和過負荷保護。

4 自耦變壓器與三圈變壓器的技術性分析

自耦變壓器與普通變壓器相比有以下優點。

當輸送容量相同時，自耦變壓器相對來說外形尺寸小，消耗的銅鐵材料少，因此，既減輕了運輸壓力，又降低了設備造價，特別是對高電壓等級的大容量變壓器具有非常重要的意義，而且因為自耦變壓器的電磁容量小，能耗明顯降低，從而提高了電網的穩定水平和輸送能力，也減少了無功補償設備的容量。

自耦變壓器比普通變壓器體積小、重量輕，可根據相關廠家資料得知，一臺180MVA三相一體的自耦變壓器比三圈變重量約輕50t，節省占地約30m2，其安裝和運輸也更方便。這對于在運輸條件困難的情況下，變電站需要采用大容量變壓器來說，具有非常重要的意義。

自耦變壓器與普通變壓器相比也存在以下缺點：由于自耦變壓器高、中壓繞組之間有電氣聯系，使其電抗值比普通變壓器小，三相短路電流也會相應增大，但從目前電網運行方式來看，110kV系統大多為開環運行，即使合環運行因為110kV開關采用的是40kA水平的SF6斷路器，所以，也就能滿足要求；另外，自耦變壓器中的沖擊過電壓也比普通變壓器要嚴重一些，可以通過在自耦變壓器的兩個自耦繞組出線上裝設避雷器解決此問題。

5 自耦變壓器與三圈變壓器的經濟性分析

5.1 投資分析

根據投資分析，三相一體的自耦變造價較同容量普通三圈變低20%～30%。如果按全國每個省電網每年新投運30臺220kV自耦變壓器，則每年至少可以節約投資3600萬元以上，如果全國范圍內推廣采用自耦變壓器，每年至少可以節約投資8.28億元。

5.2 能損分析

按單臺變壓器年能損為計算，根據變壓器廠提供的參數及相關計算可知，單臺同容量的自耦變和三圈變相比較，自耦變運行損耗費用較三圈變低35%左右，具有較明顯的優勢。

計及造價和能耗因素情況下，根據相關計算，每個220kV變電站終期3臺變壓器若全部采用自耦變，每年產生的節省效益約537～783萬元。若按主變壓器的全壽命周期考慮，每個220kV變電站主變運行30年產生的節省效益約1.6～2.3億元。由此可見，220kV變電站采用自耦變壓器帶來的經濟效益非常明顯，而且隨著電網更多地采用自耦變壓器，效益將更加顯著。

6 結語

通過以上的技術經濟分析可知，220kV變電站采用自耦變壓器與普通變壓器相比，在提高電網穩定水平和輸送能力、節約能耗、節約占地面積、降低運輸成本等方面有著顯著的優勢。220kV變電站的主變選型在綜合考慮電力負荷發展及潮流變化，結合系統短路電流、系統穩定、協調繼電保護等因素的情況下，同時計及造價和能耗產生顯著效益，推薦優先采用自耦變壓器，自耦變壓器的應用是電網企業節能降本的重要舉措，應予大力推廣。

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