特高壓自耦變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

張立國，李其瑩，柴孟東，楊禹太，盧 媛

（1.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200）

·特高壓技術(shù)·

特高壓自耦變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

張立國1，李其瑩2，柴孟東1，楊禹太3，盧 媛3

（1.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200）

超特高壓變壓器在現(xiàn)代電力輸送中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，隨著超特高壓電網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟，變壓器趨向于高電壓、大容量。介紹特高壓自耦變壓器關(guān)鍵技術(shù)，分析1 000 MVA特高壓自耦變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主絕緣、波過程、漏磁場、運(yùn)輸方案、抗地震能力并提出解決方案，通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了所用結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

特高壓；自耦變壓器；1 000 MVA；兩柱結(jié)構(gòu)

Abstract:The ultra-high voltage （UHV）transformer plays a crucial role in the modern power transmission system.With gradually improvement of the UHV power grid technology，the transformers with high voltage and large capacity are more and more popular.In this article，the key technology of UHV autotransformer is introduced.The analysis to the characteristic of the physical structure，main insulation，wave process，leakage flux，transportation and anti-earthquake ability of a 1 000 MVA UHV autotransformer is discussed.The solutions to the identified problems are presented which are verified by tests based on the proposed structure.

Key words:UHV；autotransformer；1 000 MVA；two limb structure

0 引言

目前，1 000 kV交流特高壓輸變電工程所用主變壓器電壓等級(jí)均為1000kV，單相容量為1000MVA，總體結(jié)構(gòu)為主體變壓器與調(diào)壓補(bǔ)償變壓器兩部分。不同廠家的主體變壓器結(jié)構(gòu)也不相同，有三主柱方案，也有雙主柱方案。根據(jù)國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃對特高壓變壓器的需求，山東電力設(shè)備有限公司從2011年開始研制電網(wǎng)用特高壓自耦變壓器，并先后開發(fā)設(shè)計(jì)了三主柱方案和雙主柱方案。2012年1月，研制的型號(hào)為ODFPS-1000000／1000的特高壓自耦變壓器樣機(jī)順利通過全部出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)項(xiàng)目。該產(chǎn)品為單相無勵(lì)磁調(diào)壓自耦電力變壓器，單相容量1 000 MVA，高壓額定相電壓為1 050 kV，采用兩主柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每柱容量500 MVA，是目前國內(nèi)外電壓等級(jí)最高、單柱容量最大的電力變壓器。由于產(chǎn)品電壓等級(jí)高、容量大、重量重，因此在電場、磁場、溫升、抗短路能力、產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)确矫嬗泻芏嘈聠栴}需要進(jìn)行技術(shù)研究。

1 變壓器技術(shù)方案

1.1 主要技術(shù)規(guī)范及接線原理

主要技術(shù)規(guī)范

型 號(hào)：ODFPS－1000000／1000

額定容量：1000／1000／334 MVA

額定電壓：（1 050／）／（525／±4×1.25%）／110 kV

額定電流：1649.6／3299.1／3036.3 A

頻 率：50 Hz

相 數(shù)：單相

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)：Ia0i0（三相YNa0d11）

短路阻抗：HV-MV 18%±5%；HV-LV 62%±5%；MV-LV 40%±5%

冷卻方式：OFAF（主體變）／ONAN（調(diào)壓變）

絕緣水平：h.v.線路端子 SI／LI／LIC／AC 1 800／2 250 ／2 400 ／1 100 kV

m.v.線路端子 SI／LI／LIC／AC 1 175／1 550 ／1 675／630 kV

h.v.／m.v.中性點(diǎn)端子 LI／AC 325／170 kV

l.v.線路端子 LI／LIC／AC 650／750／275 kV

產(chǎn)品包括主體變壓器及調(diào)壓補(bǔ)償變壓器兩部分，電氣接線原理如圖1所示。

圖1 1 000 MVA特高壓自耦變壓器接線原理

圖中 A、Am、AO、a、x 分別為高壓首端、中壓首端、中性點(diǎn)、低壓首端、低壓尾端。主體變壓器采用兩主柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，調(diào)壓補(bǔ)償變壓器內(nèi)有調(diào)壓變壓器和低壓電壓補(bǔ)償器。主體變壓器與調(diào)壓補(bǔ)償變壓器通過母線進(jìn)行連接，兩者組合后可以作為一臺(tái)完整的變壓器使用，也可以將主體變壓器單獨(dú)使用。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 1 000 MVA特高壓自耦變壓器整體結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于變壓器電壓等級(jí)高、容量大，為滿足運(yùn)輸條件及為將來研制單相三柱1 500 MVA自耦變壓器做準(zhǔn)備，采用兩主柱繞組并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每柱1／2容量即單柱容量500 MVA。

變壓器為中性點(diǎn)變磁通調(diào)壓，分為主體變壓器和調(diào)壓補(bǔ)償變壓器兩部分。調(diào)壓補(bǔ)償變壓器與主體變壓器通過母線進(jìn)行連接。主體變壓器采用單相三框四柱式鐵芯，兩主柱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)方案，兩芯柱套線圈，高、中、低壓繞組全部并聯(lián)。調(diào)壓補(bǔ)償變壓器內(nèi)有調(diào)壓變壓器和低壓電壓補(bǔ)償器，兩個(gè)器身共用一個(gè)油箱。調(diào)壓變壓器由調(diào)壓繞組和調(diào)壓勵(lì)磁繞組構(gòu)成；補(bǔ)償變壓器由補(bǔ)償繞組和補(bǔ)償勵(lì)磁繞組構(gòu)成。

自耦變壓器中性點(diǎn)調(diào)壓要保證高壓首端電壓不變，在匝數(shù)改變的情況下，只能通過變磁通調(diào)壓實(shí)現(xiàn)。當(dāng)磁通改變時(shí)，為保證低壓電壓變化不超過±1%，需對低壓電壓進(jìn)行補(bǔ)償。由圖1可知，調(diào)壓變壓器通過主體變壓器的低壓繞組勵(lì)磁，調(diào)壓勵(lì)磁繞組電壓等于主體變壓器低壓繞組電壓；補(bǔ)償變壓器通過調(diào)壓變壓器的調(diào)壓繞組勵(lì)磁，補(bǔ)償變壓器的勵(lì)磁繞組電壓等于調(diào)壓繞組電壓；補(bǔ)償繞組與主體變壓器的低壓繞組串聯(lián)后的電壓即為最終的低壓繞組的電壓［1］。

1.3 主絕緣結(jié)構(gòu)及驗(yàn)證

圖3 中壓與高壓間上端部電場分布

主體變壓器主絕緣采用“薄紙筒，小油隙”結(jié)構(gòu)，對主體變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)建立絕緣模型，利用VEI的MI軟件以及ElecNet軟件進(jìn)行主絕緣仿真驗(yàn)證，依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將主絕緣模型劃分為多個(gè)區(qū)域，根據(jù)各區(qū)域分析結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)，圖3為高壓線圈與中壓線圈間上端部電場分布圖，圖4為高壓線圈上端部電場裕度分布圖，從圖中可以看出，高壓線圈上端靜電環(huán)與角環(huán)間第一油隙處為絕緣裕度最薄弱位置，其安全裕度值為1.11，大于1.10，主絕緣結(jié)構(gòu)可靠［2］。

圖4 高壓上端部電場裕度分布

此外，根據(jù)中性點(diǎn)絕緣水平由185 kV提高至200 kV的情況，針對中壓尾頭、補(bǔ)償勵(lì)磁線圈出頭及引線對周圍夾件、油箱等部位的電場分布也進(jìn)行了重點(diǎn)分析及安全裕度比較，各位置的安全裕度值也均大于1.10。

1.4 縱絕緣結(jié)構(gòu)及驗(yàn)證

750 kV電壓及以下等級(jí)的自耦變壓器一般均采用串聯(lián)繞組末端或公共繞組首端調(diào)壓，1 000 kV自耦變壓器若采用公共繞組首端調(diào)壓，500 kV分接開關(guān)制作困難，成本高，同時(shí)分接線電壓等級(jí)高，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成變壓器體積更大，可靠性也不高，因此采用分接開關(guān)絕緣水平較低的中性點(diǎn)調(diào)壓。

利用VEI的TT軟件以及SOLOS軟件對變壓器進(jìn)行波過程仿真驗(yàn)證，同時(shí)針對單獨(dú)調(diào)壓、補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)也做了重點(diǎn)分析。根據(jù)分析結(jié)果確定了可靠的縱絕緣結(jié)構(gòu)。高壓繞組采用糾結(jié)內(nèi)屏連續(xù)式結(jié)構(gòu)，調(diào)整縱向電容，改善繞組沖擊分布；繞組端部加靜電板，并優(yōu)化電極形狀，改善了端部電場分布，減小了繞組沖擊梯度，使電位分布均勻，提高了絕緣性能。高壓首端入波時(shí)繞組節(jié)點(diǎn)電壓及油道梯度如圖5及圖6所示，從圖中可以看出，高壓首端入波時(shí)繞組各位置絕緣裕度均足夠［3］。

1.5 漏磁分析及防止局部過熱措施

變壓器每柱容量500 MVA，是目前國內(nèi)外單柱容量最大的電力變壓器。一般來說，變壓器的容量越大，漏磁場就越強(qiáng)，在夾件、拉板、油箱等非鐵磁材料的鋼構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流損耗越大。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，很容易在渦流損耗集中部位產(chǎn)生局部過熱，影響變壓器性能。

圖5 高壓首端入波高壓繞組節(jié)點(diǎn)電壓圖

圖6 高壓首端入波高壓繞組油道梯度圖

利用大型電磁場分析軟件對變壓器進(jìn)行三維漏磁場分析，根據(jù)分析結(jié)果，通過合理設(shè)計(jì)夾件及油箱屏蔽結(jié)構(gòu)，在拉板和末級(jí)疊片上開槽，根據(jù)不同的漏磁區(qū)域選擇金屬結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)等措施，有效降低了漏磁在結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流損耗，避免了局部過熱的發(fā)生。三維計(jì)算分析模型如圖7所示，圖8～10分別為油箱、拉板、夾件的損耗密度分布云圖，各圖中的深淺顏色表明漏磁場由強(qiáng)到弱的變化分布規(guī)律。通過各主要漏磁區(qū)域的軟件分析，得出變壓器不會(huì)因漏磁產(chǎn)生局部過熱，試驗(yàn)結(jié)果也證明分析結(jié)論正確。

1.6 運(yùn)輸方案分析

考慮變壓器外形尺寸，只能采用抬轎式運(yùn)輸方式，為確保運(yùn)輸過程安全，用Ansys有限元分析軟件對運(yùn)輸支架在靜止?fàn)顟B(tài)、水平以及垂直方向3g加速度下的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)零件圖紙建立油箱部分的零件精確模型，器身采用簡易模型以便簡化計(jì)算量和提高計(jì)算速度。運(yùn)輸模型如圖11所示。

圖7 變壓器三維計(jì)算模型

圖8 油箱損耗密度分布云圖

圖9 拉板損耗密度分布云圖

圖10 夾件損耗密度分布云圖

圖11 運(yùn)輸模型

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)輸支架計(jì)算結(jié)果

油箱支架的等效應(yīng)力如圖12所示，從計(jì)算結(jié)果可以看出，無論是在水平還是垂直3g加速度力的作用下，運(yùn)輸支架的應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，且留有充足的安全裕度，所以采用此種運(yùn)輸方式下，運(yùn)輸肩座可以滿足運(yùn)輸時(shí)的強(qiáng)度要求。

1.7 抗地震能力研究

對于高地震烈度地區(qū)的變電站，當(dāng)變壓器等設(shè)備及其附件本身難以滿足抗震要求時(shí)，應(yīng)通過減震和隔震設(shè)計(jì)滿足要求，目前采取的是在變壓器下方加隔震裝置的設(shè)計(jì)方案。表2為近期幾個(gè)不同特高壓變電站的基本抗震參數(shù)要求。

表2 不同特高壓變電站抗震參數(shù)要求

當(dāng)變電站所處地區(qū)地面水平加速度≤3.00 m／s2時(shí)，變壓器本體及套管等外部組件本身可滿足抗震要求，無需加隔震裝置，例如濟(jì)南站、泰州站等；當(dāng)變電站所處地區(qū)地面水平加速度＞3.00 m／s2時(shí)，因?yàn)樘坠芨叨瘸叽巛^大，以ABB高壓套管為例，其空氣中高度尺寸約為12 m，裝配在變壓器上的高度尺寸約為18.5 m，容易受地震影響損壞，從特高壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行角度考慮，變壓器下方需加裝隔震裝置，例如晉北站、北京東站、濰坊站等項(xiàng)目。

圖12 油箱支架的等效應(yīng)力圖

榆橫—濰坊1 000 kV特高壓輸變電工程濰坊站是迄今為止抗震等級(jí)最高的特高壓變電站，其抗震要求水平向基本加速度0.486g，垂直向基本加速度0.389g。為滿足抗震要求，中國電力科學(xué)研究院、山東設(shè)計(jì)院、山東電力設(shè)備有限公司等多方經(jīng)過多次計(jì)算分析，確定了最終抗震方案。整體布置如圖13所示，從基礎(chǔ)下方到上依次為：條形基礎(chǔ)、隔震器、框架鋼梁、變壓器本體。隔震器下部通過螺栓與基礎(chǔ)上的預(yù)埋套筒連接，上部與框架鋼梁通過螺栓連接；框架鋼梁上部與主體變壓器、調(diào)壓補(bǔ)償變壓器及儲(chǔ)油柜支架等焊接或用螺栓連接。

圖13 變壓器帶隔震裝置設(shè)計(jì)

2 結(jié)語

近年來，山東電力設(shè)備有限公司承擔(dān)了多項(xiàng)1 000 kV特高壓交流輸變電工程的變壓器生產(chǎn)制造任務(wù)，積累了豐富的變壓器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。通過多臺(tái)變壓器的出廠試驗(yàn)和已投運(yùn)電站的順利運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性和合理性。結(jié)果顯示：該類型變壓器局部放電量小，繞組平均溫升及熱點(diǎn)溫升均優(yōu)于技術(shù)規(guī)范要求，具有損耗低、溫升低、噪聲低、抗短路能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

該類型變壓器與相同參數(shù)的三主柱結(jié)構(gòu)變壓器相比，負(fù)載損耗及空載損耗都有較大幅度降低，效率達(dá)到99.85%，變壓器的運(yùn)行成本相應(yīng)減小；另外原材料消耗及占地面積也大幅降低，因此，在節(jié)能環(huán)保方面具有更優(yōu)的性能。該類型變壓器成功研制，驗(yàn)證了單相1 000 kV／1 500 MVA特高壓變壓器生產(chǎn)制造的可行性，為進(jìn)一步制造特高壓大容量變壓器奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］謝毓城.電力變壓器手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］邱關(guān)源.電路（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［3］路長柏，朱英浩.電力變電器計(jì)算［M］.黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

Key Technology Research of UHV Autotransformer

ZHANG Liguo1，LI Qiying2，CHAI Mengdong1，YANG Yutai3，LU Yuan3
（1.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3.State Grid Weihai Power Supply Company，Weihai 264200，China）

TM402

A

1007－9904（2017）09－0043－05

2017-06-07

張立國（1972），男，高級(jí)工程師，主要從事變壓器及電抗器設(shè)計(jì)研究及制造工作；李其瑩（1970），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)建設(shè)管理工作；柴孟東（1981），男，高級(jí)工程師，主要從事變壓器設(shè)計(jì)研究及制造工作；楊禹太（1982），男，工程師，主要從事電力基建項(xiàng)目施工與管理工作；盧 媛（1981），女，高級(jí)工程師，主要從事IT項(xiàng)目管理及信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。