一種超高壓線端恒磁通調(diào)壓結(jié)構(gòu)

張曉陽，孫振威，徐天錫

（1.山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南250022；2.國網(wǎng)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(diào)壓結(jié)構(gòu)

張曉陽1，孫振威1，徐天錫2

（1.山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南250022；2.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255032）

通過分析現(xiàn)有自耦電力變壓器常用調(diào)壓結(jié)構(gòu)的限制和弊端，結(jié)合目前電網(wǎng)對新型調(diào)壓結(jié)構(gòu)的需求，提出一種雙器身的超高壓線端恒磁通調(diào)壓結(jié)構(gòu)，并分析了實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

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(qū)別是一、二次繞組除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)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(tǒng)中，廣泛采用自耦變壓器作為聯(lián)絡(luò)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(diào)壓困難就是突出的問題之一，調(diào)壓結(jié)構(gòu)設(shè)計是自耦變壓器尤其是超高壓自耦變壓器設(shè)計首要解決的一個問題。

1 自耦變壓器常用調(diào)壓結(jié)構(gòu)

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

1.1 線端調(diào)壓

線端調(diào)壓包括高壓側(cè)調(diào)壓和中壓側(cè)調(diào)壓。高壓側(cè)調(diào)壓一般將調(diào)壓位置置于串聯(lián)繞組末端，原理如圖1；中壓側(cè)調(diào)壓一般將調(diào)壓位置置于公共繞組首端，原理如圖2。

圖1 串聯(lián)繞組末端調(diào)壓原理

圖2 公共繞組首端調(diào)壓原理

線端調(diào)壓為恒磁通調(diào)壓，鐵芯內(nèi)磁通不變，低壓側(cè)電壓也不波動，這也是該調(diào)壓結(jié)構(gòu)一個明顯優(yōu)點。但在該調(diào)壓結(jié)構(gòu)中，調(diào)壓繞組所處的位置，決定了調(diào)壓開關(guān)、調(diào)壓繞組以及調(diào)壓引線均處在公共繞組線端的高電場中，給絕緣設(shè)計帶來困難，限制了該調(diào)壓結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

采用線端調(diào)壓結(jié)構(gòu)的自耦變壓器在設(shè)計時調(diào)壓開關(guān)的選擇是個無法避免的難題，甚至因無法選到合適的開關(guān)而不能采用。該結(jié)構(gòu)中，開關(guān)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(guān)制造難度與價格越高。然而對于調(diào)壓開關(guān)制造廠家而言，受限于技術(shù)水平、尺寸限制、實用性等因素，其能制造的調(diào)壓開關(guān)的絕緣水平是有上限的。目前已知的開關(guān)產(chǎn)品中，絕緣水平最高為362 kV等級。因此當(dāng)公共繞組的絕緣水平在362 kV以上時，由于開關(guān)制造能力的限制，采用常規(guī)線端調(diào)壓結(jié)構(gòu)是無法實現(xiàn)的。

1.2 中性點調(diào)壓

當(dāng)公共繞組的電壓較高，超出了現(xiàn)有開關(guān)的制造能力，無法采用上述常規(guī)線端調(diào)壓結(jié)構(gòu)時，目前的做法通常是將調(diào)壓位置挪至中性點的位置，即采用中性點調(diào)壓結(jié)構(gòu)，其調(diào)壓原理如圖3所示。

圖3 中性點調(diào)壓原理

中性點調(diào)壓屬于變磁通調(diào)壓，在該調(diào)壓結(jié)構(gòu)中，調(diào)壓繞組所處的位置，決定了調(diào)壓開關(guān)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(diào)壓方式可以采用較為經(jīng)濟(jì)的低絕緣水平的調(diào)壓開關(guān)，調(diào)壓繞組和調(diào)壓引線的絕緣要求也相應(yīng)降低，這也是該調(diào)壓方式最大的優(yōu)點。

但是中性點調(diào)壓由于鐵芯中磁通是變化的，鐵芯容易出現(xiàn)過勵磁和欠勵磁，鐵芯過勵磁會導(dǎo)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(wǎng)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(yán)格限制的。因此中性點調(diào)壓結(jié)構(gòu)有時是不能直接應(yīng)用的，而是需要增加相應(yīng)的補(bǔ)償變來保證第三繞組電壓的穩(wěn)定，帶第三繞組補(bǔ)償?shù)闹行渣c調(diào)壓原理如圖4所示。

圖4 帶第三繞組補(bǔ)償?shù)闹行渣c調(diào)壓原理

我國的特高壓自耦變壓器，中壓達(dá)到了500 kV，超出了現(xiàn)有的調(diào)壓開關(guān)制造能力，因此采用的就是如圖4所示的帶第三繞組補(bǔ)償?shù)闹行渣c調(diào)壓結(jié)構(gòu)，此類變壓器包括3部分：主體變壓器、調(diào)壓變壓器、補(bǔ)償變壓器，而調(diào)壓變壓器與補(bǔ)償變壓器一般置于另一單獨的油箱。該結(jié)構(gòu)無疑將增加變壓器的設(shè)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(jīng)濟(jì)性。

2 超高壓線端調(diào)壓的需求分析

如前文所述，對于公共繞組達(dá)到超高壓等級水平的自耦變壓器，傳統(tǒng)的線端調(diào)壓結(jié)構(gòu)由于開關(guān)制造能力限制無法適用，而中性點調(diào)壓包括帶第三繞組補(bǔ)償?shù)闹行渣c調(diào)壓也有明顯的弊端，因此需要設(shè)計一種新的超高壓線端調(diào)壓方式來滿足公共繞組達(dá)到超高壓等級的自耦變壓器設(shè)計需求。

我國多種超高壓電壓等級電網(wǎng)并存現(xiàn)象和潛在聯(lián)網(wǎng)需求對公共繞組達(dá)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(wǎng)存在500 kV與750 kV兩種等級并存的現(xiàn)象，750 kV電網(wǎng)主要分布在西北電網(wǎng)，其他地區(qū)均采用500 kV電網(wǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模逐步擴(kuò)大，要求電網(wǎng)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(qū)域電網(wǎng)聯(lián)系在一起，形成更為強(qiáng)大的電網(wǎng)。若今后西北電網(wǎng)與其他電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，屆時將需要大量的750 kV超高壓自耦變壓器作為聯(lián)絡(luò)變壓器，該聯(lián)絡(luò)變壓器的中壓電壓可達(dá)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(yuǎn)的發(fā)展考慮，今后如果特高壓電網(wǎng)與西北網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，屆時特高壓自耦變壓器作為聯(lián)絡(luò)變壓器其中壓可能達(dá)到750 kV等級。

在國外某些國家同樣存在兩種超高壓電網(wǎng)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(wǎng)，隨著該國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，今后勢必也將面臨兩個超高壓電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的問題，將會對高壓500 kV等級、中壓400 kV等級聯(lián)絡(luò)變壓器有一定的需求。

3 超高壓線端恒磁通調(diào)壓

3.1 原理

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

該調(diào)壓結(jié)構(gòu)為一種雙器身的結(jié)構(gòu)。工作時，主變器身的鐵芯內(nèi)磁通是恒定不變的，調(diào)變器身的鐵芯內(nèi)磁通是變化的。主變器身中設(shè)計一激磁調(diào)壓線圈（JTV），該線圈獨立于串聯(lián)繞組（HV）與公共繞組（MV）之外，但與串聯(lián)繞組、公共繞組均套裝于主柱鐵芯上；串聯(lián)繞組與公共繞組電勢所建立的主柱磁通將在激磁調(diào)壓繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，激磁調(diào)壓繞組與有載調(diào)壓開關(guān)相聯(lián)，當(dāng)有載調(diào)壓開關(guān)的檔位調(diào)節(jié)時，主柱磁通將按照設(shè)定的調(diào)壓比例引入調(diào)變器身中的調(diào)壓繞組（TV），調(diào)變的磁通數(shù)值將隨有載調(diào)壓開關(guān)的檔位調(diào)節(jié)而變化。因為有載調(diào)壓開關(guān)的檔位與主柱中的繞組相聯(lián)，而主柱的磁通是恒定的，因此該結(jié)構(gòu)為恒磁通調(diào)壓結(jié)構(gòu)。

圖5 公共繞組線端恒磁通調(diào)壓原理

調(diào)壓繞組串聯(lián)于串聯(lián)繞組與公共繞組之間，因調(diào)壓繞組的匝數(shù)固定不變，當(dāng)調(diào)變磁通發(fā)生變化時，調(diào)壓繞組的電勢隨之變化，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓的功能。

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

3.2 優(yōu)點

超高壓線端恒磁通調(diào)壓結(jié)構(gòu)解決了自耦變壓器公共繞組達(dá)到超高壓電壓等級時不能采用恒磁通調(diào)壓的難題，相比其他調(diào)壓方式具有明顯優(yōu)點。

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

相比目前采用的中性點變磁通調(diào)壓，恒磁通調(diào)壓的方式避免了變磁通調(diào)壓的弊端，同時不需補(bǔ)償變壓器的設(shè)計，簡化了變壓器的整體結(jié)構(gòu)，降低了變壓器設(shè)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(shè)計與建造成本。

3.3 超高壓線端恒磁通有載調(diào)壓變壓器的設(shè)計和制造

以超高壓線端恒磁通調(diào)壓為基本原理，設(shè)計制造了模型樣機(jī)，該產(chǎn)品已按照IEC60076標(biāo)準(zhǔn)要求，順利通過了相關(guān)技術(shù)論證和出廠試驗，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)，試驗數(shù)據(jù)與設(shè)計值基本一致。模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型產(chǎn)品參數(shù)

表2 變壓器短路阻設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)對比%

雙器身結(jié)構(gòu)的超高壓有載調(diào)壓自耦變壓器的電磁計算方法及其特有結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件設(shè)計方案是具體變壓器設(shè)計的關(guān)鍵。

變壓器的最終阻抗由兩部分組成：主體變阻抗與調(diào)壓變阻抗，即調(diào)壓變器身的阻抗應(yīng)根據(jù)線圈組的容量分配按照一定比例進(jìn)行折算，折算后的調(diào)壓變阻抗與主體變阻抗相加的合成阻抗才為產(chǎn)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(jié)合多年的自耦變壓器設(shè)計經(jīng)驗，對阻抗修正系數(shù)進(jìn)行了確定。

短路阻抗的計算值與試驗數(shù)據(jù)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(nèi)。

4 結(jié)語

所設(shè)計的調(diào)壓結(jié)構(gòu)可以解決兩個高于500 kV的超高壓電網(wǎng)聯(lián)接時聯(lián)絡(luò)變壓器的設(shè)計問題，顯著降低其制造成本。該結(jié)構(gòu)完全可以推廣應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(shè)計與研發(fā)工作。