特高壓變壓器調壓補償方式分析與檔位選擇

譚風雷，陳 昊，劉懷宇

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211102）

0 引言

隨著我國經濟高速增長，社會用電量屢創新高，為滿足電網建設要求，以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強智能電網得以大規模建設[1-4]。國家能源局發布的《電力發展“十三五”規劃（2016—2020 年）》中提出建設特高壓與常規輸電相結合的輸電通道，進一步增加電網建設規模，優化電網主網架，可見特高壓電網建設對經濟發展起著決定性作用。特高壓電網主要由±800 kV 換流站及其輸電線路、1 000 kV 變電站及其輸電線路組成。1 000 kV 特高壓變壓器作為1 000 kV 變電站的核心電力設備，承擔著升降壓的任務，直接影響著電網的安全穩定運行[5-7]。

鑒于1 000 kV 特高壓變壓器的重要性，許多專家對其進行了深入研究，包括結構設計、調壓原理、保護控制、溫升控制等[8-12]。但由于特高壓變壓器電壓等級高，很多研究都只能局限于理論分析，缺乏現場試驗，從而限制了特高壓變壓器的應用。在特高壓變壓器的眾多研究方向中，本文選擇調壓原理作為研究重點。文獻[13]以1 000 kV 特高壓晉東南站為例，分析了調補變壓器差動保護原理及配置，為特高壓變壓器的安全運行提供參考。文獻[14]以1 000 kV 特高壓南陽站為例，通過建立仿真模型分析了完全補償和非完全補償2 種補償方式的調壓效果。文獻[15]通過分析2 種補償方法各個繞組的電氣連接與電磁耦合關系，對其調壓結果進行了比對。盡管現有文獻對調壓原理的相關研究已有很多，但都只是通過仿真分析了調壓過程，尚未建立數學模型定量分析，缺乏理論依據。

針對上述問題，本文首先研究了特高壓變壓器的結構原理及調壓補償方式，分析了非完全補償和完全補償2 種方式各繞組間的電氣連接與電磁耦合關系。然后以完全補償方式為例，對特高壓變壓器的調壓過程進行定性分析。最后通過建立2 種補償方式的數學模型，研究檔位選擇方法，分析比較了它們的調壓效果。

1 特高壓變壓器結構原理

考慮到1 000 kV 特高壓變壓器電壓高、容量大，為了便于安裝與運輸，一般都采用單相分體結構。同時鑒于自耦變壓器成本低、重量輕等優勢，特高壓變壓器一般都采用自耦變壓器[16]。自耦變壓器有線端調壓和中性點調壓2 種調壓方式。其中，線端調壓一般采用中壓側線端調壓，屬于定磁通調壓；而中性點調壓一般是借助中性點進行調壓，屬于變磁通調壓。就特高壓變壓器而言，其中壓側額定電壓為500 kV，若采用線端調壓，調壓裝置的絕緣水平難以滿足，使得制造成本過高；若采用中性點調壓，具有調壓裝置絕緣水平低、分接抽頭電流小等優勢。因此，特高壓變壓器一般都采用中性點調壓方式[17-18]。

中性點調壓屬于變磁通調壓，當分接開關處于不同位置時，中壓側電壓與電流、低壓側電壓會隨之改變。為了減少特高壓變壓器的電壓波動，提高系統運行可靠性，需對低壓側進行補償。根據變壓器調壓勵磁電源的不同，又分為非完全補償方式和完全補償方式。其中，非完全補償方式結構原理如圖1 所示，其PV（調壓勵磁繞組）電源取自LV（低壓繞組）電壓；完全補償方式結構原理如圖2 所示，其PV 電源取自LV 和BV（補償繞組）的電壓和，即為低壓側電壓。

圖1 非完全補償方式結構原理

圖2 完全補償方式結構原理

考慮到特高壓變壓器體積大，一般采用分體結構，包括主體變壓器和調補變壓器兩部分。其中，調補變壓器內設置調壓變壓器和補償變壓器2 個器身，調壓開關放置在調補變壓器油箱內。主體變壓器與調補變壓器采用油-空氣套管引出，在外部進行連接。

2 特高壓變壓器調壓原理定性分析

由圖1 和圖2 可知，特高壓變壓器高壓側與低壓側之間只有電氣連接，不存在磁的聯系，其中7 個繞組的電磁耦合關系為：高壓繞組、中壓繞組和低壓繞組存在電磁耦合，每匝線圈的感應電動勢e1相同；調壓勵磁繞組和調壓繞組存在電磁耦合，每匝線圈感應電動勢e2相同；補償勵磁繞組和補償繞組存在電磁耦合，每匝線圈感應電動勢e3相同。

特高壓變壓器的調壓原則為：高壓側電壓保持不變；低壓側電壓保持不變；調節中壓側電壓。以下以完全補償方式為例來分析特高壓變壓器的調壓過程。根據圖2 的電氣連接關系，結合上文分析的電磁耦合關系，當分接開關處于正分接時，高壓側電壓UH、中壓側電壓UM和低壓側電壓UL可以表示成：

式中：EHV表示高壓繞組兩端感應電勢；EMV表示中壓繞組兩端感應電勢；ELV表示低壓繞組兩端感應電勢；ETV表示調壓繞組兩端感應電勢；EPV表示調壓勵磁繞組兩端感應電勢；EBV表示補償繞組兩端感應電勢；EPV′表示補償勵磁繞組兩端感應電勢。

根據UH表達式可知，當分接開關處于正分接時，正向串聯TV，由于UH保持不變，ETV正向分壓使得EHV和EMV減少，同時HV，MV 和LV有電磁耦合，ELV也減少。根據UM表達式可知，當EHV減少時，由于UH保持不變，使得UM增加，從而實現中壓側電壓升高的調節。根據UL表達式可知，由于ETV正向分壓使得EPV′增加，EBV隨著增加，從而ELV減少，實現低壓側補償功能，使得UL基本保持不變。

當分接開關處于負分接時，UH，UM和UL可以表示成：

根據UH表達式可知，當分接開關處于負分接時，反向串聯TV，由于UH保持不變，ETV反向分壓使得EHV和EMV增 加，同時HV，MV和LV有電磁耦合，這時ELV也增加。根據UM表達式可知，當EHV增加時，由于UH保持不變，UM減少，從而實現中壓側電壓減少的調節。根據UL表達式可知，由于ETV反向分壓使得PV′反向電勢增加，EBV隨著反向增加，從而抵消ELV的增加，實現低壓側補償功能，使得UL基本保持不變。

考慮到特高壓變壓器采用非完全補償方式時的調壓過程與采用完全補償方式時基本一致，就不再敘述。

3 特高壓變壓器調壓模型

3.1 非完全補償方式調壓模型

根據圖1 電氣結構，可得非完全補償方式下的電氣表達式：

式中：NHV表示高壓繞組線圈匝數；NMV表示中壓繞組線圈匝數；NLV表示低壓繞組線圈匝數；NTV表示調壓繞組線圈匝數；NPV表示調壓勵磁繞組線圈匝數；NBV表示補償繞組線圈匝數；NPV′表示補償勵磁繞組線圈匝數。

求解式（3）可得：

根據式（4），結合圖1 可得非完全補償方式下UM和UL的表達式：

3.2 完全補償方式調壓模型

根據圖2 電氣結構，可得完全補償方式下的電氣表達式：

求解式（6）可得：

根據式（7），結合圖2 可得完全補償方式下UM和UL的表達式：

為了便于后文的分析，現定義4 種變量。

1）變量1，低壓側各檔位電壓相對于低壓側額定電壓110 kV 的波動率，其表達式為：

式中：i 表示分接開關檔位；Xi表示分接開關處于第i 檔時，低壓側電壓相對于低壓側額定電壓110 kV 的波動率；ULi表示分接開關處于第i 檔時低壓側電壓。

2）變量2，低壓側各檔位電壓相對于未調檔時低壓側電壓（分接開關處于5 檔時）的波動率，其表達式為：

式中：Yi表示分接開關處于第i 檔時，低壓側電壓相對于未調檔時低壓側電壓的波動率。

3）變量3，中壓側各檔位電壓相對于中壓側各檔位額定電壓的波動率，其表達式為：

式中：Zi表示分接開關處于第i 檔時中壓側電壓相對于中壓側第i 檔額定電壓的波動率；UMi表示分接開關處于第i 檔時中壓側電壓；UMi0表示分接開關處于第i 檔時中壓側額定電壓。

4）變量4，分接開關各檔位間電壓變化率，其表達式為：

式中：dij表示分接開關處于第i 檔與第j 檔的電壓變化率。

4 檔位選擇方法研究

上文分析了特高壓變壓器2 種調壓方式的原理，以下研究特高壓變壓器的檔位選擇方法，主要包括4 個步驟。

1）步驟一，計算特高壓變壓器中壓側目標電壓UMT。考慮到中壓側目標電壓與500 kV 線路對側電壓、線路阻抗、線路電流和系統無功投退情況有關，故中壓側目標電壓UMT可以表示為：

式中：U0表示500 kV 線路對側電壓；Z0表示線路阻抗；I0表示線路電流；UI表示110 kV 低壓側電抗器對中壓側電壓影響；UC表示110 kV 低壓側電容器對中壓側電壓影響。考慮到中壓側目標電壓計算比較復雜且不屬于本文的研究重點，因此文中假定中壓側目標電壓即為中壓側第5 檔額定電壓。

2）步驟二，確定分接開關的檔位范圍。計算中壓側目標電壓與分接開關處于第5 檔時中壓側電壓的差值變化率，表達式如下：

根據電壓差值變化率D，可以得到分接開關的檔位范圍，如表1 所示。

表1 分接開關檔位范圍與D 值關系

3）步驟三，確認分接開關的檔位范圍后，計算檔位范圍內各檔位中壓側實際電壓相對于中壓側目標電壓的誤差Wi：

4）步驟四，各檔位中壓側實際電壓相對于中壓側目標電壓的誤差Wi最小值對應的檔位即為最優檔位。當出現2 個檔位對應的Wi相同時，應根據檔位調整最少原則選擇相應檔位，例如當前檔位為6 檔，檔位調整范圍為7 檔和8 檔，且7檔、8 檔相對于中壓側目標電壓的誤差Wi相同，考慮到選擇7 檔時，分接開關只需動作一次，而檔位選擇8 檔時，分接開關需動作2 次，因此分接開關檔位選擇7 檔。

5 2 種調壓方式及檔位選擇分析

目前，1 000 kV 特高壓變壓器主要生產廠家有西安西電、山東電工和特變電工3 家，其中西安西電變壓器采用完全補償方式，山東電工和特變電工變壓器采用非完全補償方式。

采用非完全補償方式的特高壓變壓器線圈參數如下：NHV=854，NMV=854，NLV=310，NTV=±45×4，NPV=649，NBV=86，NPV′=460。

采用完全補償方式的特高壓變壓器線圈參數如下：NHV=687，NMV=687，NLV=249，NTV=±40×4，NPV=592，NBV=59，NPV′=325。

5.1 2 種調壓方式結果分析

5.1.1 高壓側電壓UH 保持606.218 kV 不變

當UH為額定值606.218 kV 時，2 種補償方式對應的三側電壓如表2 和表3 所示。

表2 非完全補償方式對應的三側電壓（UH=606.218 kV）kV

表3 完全補償方式對應的三側電壓（UH=606.218 kV）kV

1）低壓側波動情況。

圖3 為UH=606.218 kV 時低壓側電壓，由圖可知：相對于低壓側額定電壓110 kV，采用非完全補償方式時，UL在額定值110 kV 兩側波動，平均相對誤差為0.871‰；采用完全補償方式時，UL在額定值110 kV 下側波動，平均相對誤差為1.269‰。因此，采用非完全補償方式時，UL更加接近額定值110 kV。

圖3 低壓側電壓（UH=606.218 kV 時）

相對于低壓側未調檔電壓（分接頭處于5 檔），采用非完全補償方式時，UL隨著分接頭檔位增加而降低，平均相對誤差為0.948‰；采用完全補償方式時，UL隨著分接頭檔位增加而降低，平均相對誤差為0.053‰。因此，采用完全補償方式時，調壓過程所產生的低壓側電壓波動更小。

2）中壓側調壓情況。

隨著分接開關檔位變化，中壓側額定電壓也會發生變化，各檔位對應的中壓側額定電壓如表4 所示。

表4 各檔位對應的中壓側額定電壓

圖4 為UH=606.218 kV 時UM相對誤差。由圖4 可知：采用非完全補償方式時，中壓側調壓相對誤差隨著檔位的增加先增加后降低，平均相對誤差為1.07‰；采用完全補償方式時，中壓側調壓相對誤差也是隨著檔位的增加先增加后降低，平均相對誤差為0.56‰。因此，采用完全補償方式時，中壓側調壓相對誤差更小，更加接近中壓側額定電壓。

圖4 中壓側調壓相對誤差（UH=606.218 kV 時）

由上述分析可知：當UH=606.218 kV 時，采用完全補償方式，中壓側調壓誤差更小，低壓電壓波動更小；采用非完全補償方式，低壓側電壓更加接近額定值110 kV。因此，特高壓變壓器采用完全補償是較好的調壓方式。

5.1.2 高壓側電壓UH 波動

為分析UH波動時2 種補償方式的調壓結果，文中將研究UH在之間6 檔電壓所對應的調壓結果。

1）低壓側波動情況。

圖5 為UH波動時非完全補償方式低壓側電壓，圖6 為UH波動時完全補償方式低壓側電壓，顯然無論哪種補償方式，UL都隨著分接開關檔位的增加而降低，隨著UH的增加而升高，符合實際情況，從而驗證了式（5）和式（8）的正確性。

圖5 非完全補償方式低壓側電壓（UH 波動）

圖6 完全補償方式低壓側電壓（UH 波動）

表5 所示為UH波動時2 種補償方式低壓側電壓波動情況。

表5 低壓側電壓波動率（UH 波動）

分析表5 可知，無論哪種補償方式，Xi都是隨著UH的增加先減少后增加，并在UH為額定值時取得最小值，Yi都與UH無關。對于Xi，采用非完全補償方式時對應的數值較小，說明采用該補償方式時，UL更加接近低壓側額定電壓；對于Yi，采用完全補償方式時對應的數值較小，說明采用該補償方式時，UL波動較小。

2）中壓側調壓情況。

圖7 為UH波動時非完全補償方式中壓側電壓，圖8 為UH波動時完全補償方式中壓側電壓。

圖7 非完全補償方式中壓側電壓（UH 波動）

圖8 完全補償方式中壓側電壓（UH 波動）

由圖7 和圖8 可知，無論哪種補償方式，UM都隨著分接開關檔位的增加而降低，隨著高壓側電壓的增加而升高，符合實際情況，從而也驗證了式（5）和式（8）的正確性。

表6 所示為UH波動時2 種補償方式中壓側電壓變化情況。

表6 中壓側電壓變化率（UH 波動）

由表6 可知，無論哪種補償方式，Zi都是隨著高壓側電壓的增加先減少后增加。當高壓側電壓UH≥611.991 kV 時，采用非完全補償方式時對應的Zi數值較小；而當高壓側電壓UH≤606.218 kV 時，采用完全補償方式時對應的Zi數值較小。總體而言，采用完全補償方式時對應的Zi平均值較小，說明采用完全補償方式時，UM更加接近中壓側額定電壓。

從上文分析可知，不管是UH=606.218 kV，還是UH波動，就中壓側調壓和低壓側波動情況而言，都是采用完全補償方式效果較好。因此，特高壓變壓器的調壓方式宜采用完全補償方式。

5.2 檔位選擇方法

表7 2 種調壓方式的檔位選擇結果

表8 非完全補償方式高壓側電壓與檔位對應關系

表9 完全補償方式高壓側電壓與檔位對應關系

6 結論

1）分析了特高壓變壓器7 個繞組間的電磁耦合關系，并結合各繞組間的電氣聯系，以完全補償方式為例，對特高壓變壓器的調壓過程進行了定性分析。

2）在建立特高壓變壓器非完全補償和完全補償2 種補償方式數學模型的基礎上，從高壓側電壓保持額定值和高壓側電壓波動2 個方面，對2種補償方式進行了定量分析，結果表明采用完全補償方式時，低壓側電壓波動更小，中壓側電壓調壓更準。

3）研究了特高壓變壓器的檔位選擇方法，根據一定假設，給出了特高壓變壓器高壓側電壓與檔位對應關系，可為現場檔位選擇提供指導。