220kV自耦變壓器推廣應用的技術經(jīng)濟分析

李洋

摘 要：變壓器作為電力系統(tǒng)主要的電氣設備，對電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)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(fā)展及潮流變化，結(jié)合系統(tǒng)短路電流、系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)繼電保護等因素的情況下，同時計及造價和能耗產(chǎn)生的顯著效益，推薦優(yōu)先采用自耦變壓器。本文在分析自耦變壓器結(jié)構(gòu)特點的基礎上，結(jié)合系統(tǒng)的具體情況對現(xiàn)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(jié)能降耗 技術經(jīng)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(tǒng)主要的電氣設備，對電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行起著關鍵的作用。220kV系統(tǒng)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(cè)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(nèi)投入電網(wǎng)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(qū)部分省份開始嘗試應用自耦變壓器。由于在技術和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，自耦變壓器目前在華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的220kV變電站中得到普遍使用。

本文通過技術經(jīng)濟分析認為，在目前電網(wǎng)規(guī)劃和建設的新形勢下，自耦變與三圈變相比，在提高電網(wǎng)輸送能力和穩(wěn)定水平、節(jié)約能耗、節(jié)約占地面積、降低運輸成本等方面，具有非常顯著的優(yōu)勢。

1 自耦變壓器的結(jié)構(gòu)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(jié)省了一個副邊繞組，其原、副邊繞組之間不僅有磁的聯(lián)系，也存在電的聯(lián)系。自耦變公共繞組和串聯(lián)繞組銅線截面不同，采用自耦變可以節(jié)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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)。

2 自耦變壓器對系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)，該比值越低，輸送效率越高。當兩個電網(wǎng)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(yōu)勢越大。500kV和220kV變壓器變比小，傳輸效率高，采用自耦變優(yōu)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(fā)揮自耦變優(yōu)勢，使傳輸容量達到最大。

2.3 系統(tǒng)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(qū)電網(wǎng)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(diào)度方式來調(diào)整，因此系統(tǒng)零序網(wǎng)絡能夠保證不發(fā)生變化，但自耦變因為中性點必須直接接地，其零序網(wǎng)絡是相對固化的，如果運行方式發(fā)生改變，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡也會相應發(fā)生變化。

當自耦變壓器的運行方式發(fā)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(tǒng)主保護采用光纖縱聯(lián)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(yōu)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(wǎng)的穩(wěn)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(jù)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(jié)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(lián)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(wǎng)運行方式來看，110kV系統(tǒng)大多為開環(huán)運行，即使合環(huán)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(jīng)濟性分析

5.1 投資分析

根據(jù)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(wǎng)每年新投運30臺220kV自耦變壓器，則每年至少可以節(jié)約投資3600萬元以上，如果全國范圍內(nèi)推廣采用自耦變壓器，每年至少可以節(jié)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(jù)變壓器廠提供的參數(shù)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(yōu)勢。

計及造價和能耗因素情況下，根據(jù)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(chǎn)生的節(jié)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(chǎn)生的節(jié)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(jīng)濟效益非常明顯，而且隨著電網(wǎng)更多地采用自耦變壓器，效益將更加顯著。

6 結(jié)語

通過以上的技術經(jīng)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(wǎng)穩(wěn)定水平和輸送能力、節(jié)約能耗、節(jié)約占地面積、降低運輸成本等方面有著顯著的優(yōu)勢。220kV變電站的主變選型在綜合考慮電力負荷發(fā)展及潮流變化，結(jié)合系統(tǒng)短路電流、系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)繼電保護等因素的情況下，同時計及造價和能耗產(chǎn)生顯著效益，推薦優(yōu)先采用自耦變壓器，自耦變壓器的應用是電網(wǎng)企業(yè)節(jié)能降本的重要舉措，應予大力推廣。

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