特高壓變壓器調(diào)壓補(bǔ)償方式分析

張星宇　劉天奇　安義巖　胡全義　周麗英

摘要：針對(duì)特高壓變壓器的結(jié)構(gòu)，先介紹特高壓變壓器采用單相分體自耦變壓器結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)比有載和無載兩種調(diào)壓方式，分析特高壓變壓器調(diào)壓方式及調(diào)壓位置。其次對(duì)常用的2種調(diào)壓補(bǔ)償原理進(jìn)行了介紹，給出2種補(bǔ)償方式變壓器各個(gè)繞組的電磁關(guān)系方程，分析2種調(diào)壓補(bǔ)償方式的電壓調(diào)節(jié)差異。

關(guān)鍵詞：特高壓變壓器、調(diào)壓方式、調(diào)壓位置、調(diào)壓補(bǔ)償原理、電磁關(guān)系

Abstract：In view of the structure of UHV （Ultra High Voltage）transformer， the rationality of single phase separate autotransformer structure is introduced. On the basis of comparision load voltage regulation with no-load voltage regulation， the voltage regulating methods and the voltage regulating position of UHV transformer are analyzed. Two principles of voltage regulating and compensation of UHV transformer are introduced. The electromagnetic relations of each winding of two kinds of different voltage regulation and compensation method of transformer are provided respectively， and the differences of the voltage regulation effect between the two kinds of voltage regulation and compensation method are analyzed and compared.

Keyword：UHV（Ultra High Voltage）transformer the voltage regulating methods the voltage regulating positionprinciple of voltage regulating and compensation The electromagnetic relations

0 引言

我國能源中心與負(fù)荷中心跨度大，這就需要可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量電力輸送的特高壓工程[1-2]。截至2018年5月，現(xiàn)在我國已經(jīng)投運(yùn)19條特高壓工程。特高壓變壓器作為特高壓工程主要設(shè)備之一，其絕緣性能和容量要求更高，國內(nèi)外已做了大量的研究工作[1]。特高壓變壓器的重量和體積尺寸都很大，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)兼顧到成本、安裝、運(yùn)輸、可靠性等問題，目前國內(nèi)所有交流特高壓主變壓器、特高壓換流站站750 kV聯(lián)絡(luò)變、以及目前在建世界最高電壓等級(jí)的±1100kV特高壓直流工程采用的1000 kV聯(lián)絡(luò)變壓器均采用分體布置方案，分別將主體變壓器和調(diào)壓補(bǔ)償變壓器（以下簡(jiǎn)稱調(diào)補(bǔ)變）作為兩個(gè)獨(dú)立部分[2]。

本文對(duì)特高壓變壓器不同的調(diào)壓方式和其差異進(jìn)行探討，論述了特高壓變壓器采用中性點(diǎn)無勵(lì)磁調(diào)壓的必要性和可行性，就調(diào)壓方式來說，已有多篇文章分析了特高壓變壓器的調(diào)壓方式，通常特高壓變壓器采用完全補(bǔ)償方式和非完全補(bǔ)償兩種方式，但大部分論文均是針對(duì)非完全補(bǔ)償進(jìn)行電氣量參數(shù)和數(shù)值分析，本文對(duì)2種調(diào)壓補(bǔ)償方式變壓器電壓調(diào)節(jié)的差別進(jìn)行了分析比較，同時(shí)給出了本站特高壓變壓器采用完全補(bǔ)償方法的變壓器各個(gè)繞組的電磁關(guān)系。

1 采用單相分體自耦變壓器結(jié)構(gòu)的合理性

由于特高壓變壓器絕緣性能要求高和容量大，單相容量均大于1000 MVA，并且考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行可靠性等要求，目前國內(nèi)特高壓變壓器均采用調(diào)補(bǔ)變壓器與主體變壓器分體結(jié)構(gòu)。分體結(jié)構(gòu)可以分開運(yùn)輸，降低運(yùn)輸成本和難度。 在電網(wǎng)運(yùn)維過程中如果調(diào)補(bǔ)變出現(xiàn)故障，可以將主體變分離同時(shí)不影響主體變運(yùn)行，保證了主體變運(yùn)行的可靠性和安全性。特高壓變電站都會(huì)有一臺(tái)備用變壓器，當(dāng)某相變壓器發(fā)生故障，可在最短時(shí)間恢復(fù)正常供電。由于自耦變壓器具有用材少、損耗小，同時(shí)重量輕、體積小的特點(diǎn)減小了造價(jià)成本、運(yùn)輸成本和運(yùn)輸難度[3]。

通過分析可知，從工程可行性、經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)運(yùn)維可靠性考慮，特高壓變壓器采用單相、分體、自耦結(jié)構(gòu)有是合理的。

2 特高壓變壓器調(diào)壓方式及調(diào)壓位置分析

特高壓變壓器目前所采用的調(diào)壓方式主要為中性點(diǎn)無載調(diào)壓調(diào)壓。

2.1調(diào)壓方式分析

變壓器調(diào)壓方式分為無載調(diào)壓和有載調(diào)壓。無載調(diào)壓方式也稱無勵(lì)磁調(diào)壓，可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但必須在停電時(shí)切換檔位。 有載調(diào)壓方式可以實(shí)現(xiàn)帶負(fù)荷進(jìn)行調(diào)壓，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、造價(jià)高，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到絕緣和限流等的影響。據(jù)變壓器故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有載調(diào)壓變壓器的故障占比80%， 其中約一半是有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)自身故障。特高壓電壓等級(jí)電壓波動(dòng)小，同時(shí)供電可靠性要求高，且下級(jí)電網(wǎng)的有載調(diào)壓變壓器作為保障，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行方式，從可靠性和經(jīng)濟(jì)性考慮，特高壓變壓器采用無載調(diào)壓更為合理。

2.2調(diào)壓位置分析

按調(diào)壓繞組的位置分類，自耦變壓器的調(diào)壓有線端調(diào)壓和中性點(diǎn)調(diào)壓2種調(diào)壓方式。線端調(diào)壓也稱為恒磁通調(diào)壓，調(diào)壓時(shí)繞組每匝電壓是相同的，不會(huì)引起鐵心磁通變化。線端調(diào)壓方式通常在中壓側(cè)進(jìn)行電壓調(diào)整，對(duì)低壓側(cè)電壓影響微乎其微，但中壓側(cè)額定電流大，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域范圍較大，導(dǎo)致中壓側(cè)引線的絕緣處理難度大，往往成為變壓器絕緣的薄弱點(diǎn)。

中性點(diǎn)調(diào)壓方式也稱變磁通調(diào)壓，會(huì)造成主磁通的變化，分接開關(guān)在不同檔位時(shí)，中壓繞組線端和低壓繞組的電壓、電流均會(huì)改變。但中性點(diǎn)調(diào)壓方式下調(diào)壓繞組和調(diào)壓裝置的電壓低、成本低、絕緣要求低、工藝上易實(shí)現(xiàn)。

綜合考慮絕緣要求、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面，特高壓變壓器宜采用中性點(diǎn)調(diào)壓。為了避免低壓側(cè)電壓變化對(duì)主體變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性造成的不良影響，在調(diào)壓變壓器中設(shè)置了補(bǔ)償變壓器，共用一個(gè)油箱，統(tǒng)稱調(diào)壓補(bǔ)償變壓器，通過補(bǔ)償繞組及電壓負(fù)反饋來滿足特高壓變壓器調(diào)壓要求。

3 非完全和完全補(bǔ)償調(diào)壓原理分析對(duì)比

補(bǔ)償方式有完全補(bǔ)償和非完全補(bǔ)償2種，非完全補(bǔ)償方式下調(diào)壓勵(lì)磁繞組和本體變壓器低壓繞組電壓并聯(lián)，完全補(bǔ)償方式下是低壓繞組與補(bǔ)償繞組的串聯(lián)之后和調(diào)壓勵(lì)磁繞組并聯(lián)（即為低壓側(cè)電壓，低壓繞組電壓不等同于低壓側(cè)電壓）。早年部分特高壓變壓器采用非完全補(bǔ)償方式，近幾年全部改為完全補(bǔ)償方式，已經(jīng)有多篇論文針對(duì)非完全補(bǔ)償進(jìn)行電氣量參數(shù)和數(shù)值分析。因此本論文將對(duì)完全補(bǔ)償進(jìn)行電氣量參數(shù)和數(shù)值分析并和非完全補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。特高壓變壓器繞組連接圖如圖2和圖3所示。

由特高壓變壓器繞組連接圖得出補(bǔ)償調(diào)壓原理如圖4和圖5，圖4為非完全補(bǔ)償調(diào)壓原理圖，圖5為完全補(bǔ)償調(diào)壓原理圖，其中HV、MV、TV、LV、EV、LE、LT分別為高壓繞組、中壓繞組、調(diào)壓繞組、低壓繞組、調(diào)壓勵(lì)磁繞組、補(bǔ)償勵(lì)磁繞組、補(bǔ)償繞組。

式中： y 表示變化率;Xi表示在第i分接頭下，變壓器低壓側(cè)電壓或調(diào)壓變磁通;i為分接頭位置。由式（5）分別計(jì)算低壓側(cè)電壓和調(diào)壓變磁通的變化率y_U和y_?，可以看出采用非完全補(bǔ)償方式時(shí)調(diào)變?yōu)樽兇磐ㄕ{(diào)壓，而采用完全補(bǔ)償方式時(shí)調(diào)變基本為恒磁通調(diào)壓。在通過調(diào)節(jié)分接開關(guān)位置來調(diào)節(jié)中壓側(cè)電壓時(shí)，完全補(bǔ)償方式比非完全補(bǔ)償方式低壓側(cè)電壓波動(dòng)要小。

4 結(jié)論

從絕緣要求、工程可行性、經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)運(yùn)維可靠性考慮，特高壓變壓器采用單相、分體、自耦結(jié)構(gòu)更為合理。中性點(diǎn)無載調(diào)壓方式具有可靠性高且調(diào)壓開關(guān)承受的電壓和通過的電流均相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使得中性點(diǎn)無載調(diào)壓方式成為特高壓變壓器的優(yōu)先選擇。為了避免中性點(diǎn)無載調(diào)壓方式下低壓繞組的波動(dòng)造成對(duì)電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行不利影響，可以采用補(bǔ)償繞組，利用其負(fù)反饋?zhàn)饔?，降低低壓繞組電壓變化范圍。采用完全補(bǔ)償方式時(shí)，變壓器勵(lì)磁線圈的匝數(shù)相對(duì)較多，抗沖擊性能和低壓側(cè)電壓波動(dòng)比采用非完全補(bǔ)償方式時(shí)要小，調(diào)壓效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊寶祥，吳峽.關(guān)于特高壓變壓器的一點(diǎn)思考[J].高電壓技術(shù)，2005，31（11）：21-22

[2] 馮慶東，王維.國外特高壓變壓器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電力設(shè)備，2005，6（8）：18-19

[3] 張文亮，胡毅.特高壓輸變電設(shè)備應(yīng)用于工程的分析研究[J].電力設(shè)備，2004，5（7）：15-18