特高壓變壓器調(diào)壓補(bǔ)償方式分析

張星宇，秘立鵬，孫 睿，安義巖，張小明

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特010010）

0 引言

我國幅員遼闊，存在能源分布與負(fù)荷中心的不一致問題，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]。截至目前，我國已投運(yùn)16條特高壓工程，還有4條在建工程。特高壓變壓器作為關(guān)鍵設(shè)備，在特高壓工程中發(fā)揮著重要作用。特高壓變壓器的質(zhì)量和體積很大，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)考慮到制造成本、運(yùn)輸、安裝、可靠性等要求，目前國內(nèi)所有交流特高壓變壓器和特高壓直流站1000 kV和750 kV聯(lián)絡(luò)變壓器均采用分體布置，分別將主體變壓器和調(diào)補(bǔ)變壓器作為兩個(gè)獨(dú)立部分[1]。

已有多篇文獻(xiàn)分析了特高壓變壓器的調(diào)壓方式。文獻(xiàn)[1-8]對比分析了特高壓變壓器調(diào)壓方法和補(bǔ)償方法，介紹了特高壓變壓器采用的完全補(bǔ)償和非完全補(bǔ)償兩種方式。文獻(xiàn)[6-17]針對非完全補(bǔ)償或特定繞組進(jìn)行電氣量參數(shù)和數(shù)值分析、計(jì)算和仿真。但以上研究均未對特高壓變壓器補(bǔ)償方式基于電磁關(guān)系進(jìn)行對比分析，本文對兩種調(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[3-7]。

1 單相分體自耦變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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)，如圖1所示。分體結(jié)構(gòu)可分開運(yùn)輸，降低了運(yùn)輸成本和難度。在電網(wǎng)運(yùn)維過程中如調(diào)補(bǔ)變壓器故障，可將主體變壓器分離，保證了主體變壓器運(yùn)行的可靠性和安全性。自耦變壓器具有用材少、損耗小、質(zhì)量和體積小的特點(diǎn)，降低了造價(jià)成本、運(yùn)輸成本和運(yùn)輸難度[3]。因此，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)是合理的。

圖1 特高壓變壓器結(jié)構(gòu)

2 特高壓變壓器調(diào)壓方式及調(diào)壓位置分析

目前特高壓變壓器所采用的調(diào)壓方式主要為中性點(diǎn)無載調(diào)壓[3-5]。

2.1 調(diào)壓方式

變壓器的調(diào)壓方式分為有載調(diào)壓和無載調(diào)壓。無載調(diào)壓方式結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、可靠性高，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)荷調(diào)壓，但結(jié)構(gòu)相對復(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)統(tǒng)計(jì)，有載調(diào)壓變壓器的故障率占總變壓器故障率的80%，而自身的故障率約占40%。因此在滿足設(shè)計(jì)需求條件下，在電網(wǎng)應(yīng)用中盡可能選用無載調(diào)壓。特高壓電壓等級(jí)波動(dòng)小，供電可靠性要求高，且有下級(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[6]。

2.2 調(diào)壓位置

按照調(diào)壓位置劃分，自耦變壓器的調(diào)壓方式可以分為線端調(diào)壓和中性點(diǎn)調(diào)壓。

線端調(diào)壓一般在中壓側(cè)，調(diào)壓時(shí)每匝繞組電壓不變，因此繞組鐵心磁通為恒定，也稱恒磁通調(diào)壓。調(diào)壓時(shí)低壓側(cè)電壓受影響較小，中壓側(cè)額定電流大，因此繞組引線粗和高場強(qiáng)區(qū)域大。采用線端調(diào)壓時(shí)，絕緣處理難度大，中壓側(cè)線端往往是絕緣設(shè)計(jì)的薄弱點(diǎn)[7]。

中性點(diǎn)調(diào)壓方式會(huì)造成其他相關(guān)電壓和主磁通的變化，也稱為變磁通調(diào)壓。當(dāng)調(diào)壓變壓器的分接開關(guān)在不同檔位時(shí)，不僅中壓繞組線端的電壓、電流會(huì)改變，低壓繞組的電壓、電流也會(huì)改變。采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式調(diào)壓時(shí)，繞組電壓低、絕緣要求低、制造工藝易實(shí)現(xiàn)、整體造價(jià)低。

綜合考慮絕緣性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等要求，特高壓變壓器宜采用中性點(diǎn)調(diào)壓。采用中性點(diǎn)調(diào)壓時(shí)，為降低主體變壓器低壓側(cè)電壓變化量，保證主體變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性，需對低壓側(cè)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，因此會(huì)在調(diào)壓變壓器中專設(shè)一個(gè)調(diào)補(bǔ)變壓器[5-10]。

3 非完全和完全補(bǔ)償調(diào)壓原理分析對比

調(diào)壓變壓器的勵(lì)磁電源有完全補(bǔ)償和非完全補(bǔ)償兩種方式，兩種補(bǔ)償繞組連接圖見圖2、圖3。

圖2 非完全補(bǔ)償繞組連接圖

圖3 完全補(bǔ)償繞組連接圖

需注意的是，圖2中x為補(bǔ)償繞組尾端，調(diào)壓勵(lì)磁繞組尾端與補(bǔ)償繞組首端、低壓繞組尾端相連；圖3完全補(bǔ)償繞組連接圖中，x為補(bǔ)償繞組和調(diào)壓勵(lì)磁繞組共用尾端，圖中實(shí)線表示繞組在變壓器內(nèi)部相連，虛線表示需要通過外部引線相連。

引言中提到的多篇論文已針對非完全補(bǔ)償方式進(jìn)行了電氣量參數(shù)和數(shù)值分析，因此本文針對完全補(bǔ)償方式進(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)行對比。特高壓變壓器完全補(bǔ)償調(diào)壓原理如圖4和圖5所示。

圖4 非完全補(bǔ)償調(diào)壓原理圖

圖5 完全補(bǔ)償調(diào)壓原理圖

矩陣方程（1）和（2）分別為非完全補(bǔ)償調(diào)壓和完全補(bǔ)償調(diào)壓原理電磁耦合關(guān)系：

式中：N為對應(yīng)繞組匝數(shù)；e1、e2、e3分別為HV、TV、LT每匝電動(dòng)勢；Uh為高壓側(cè)系統(tǒng)電壓，為已知量，通常系統(tǒng)的電壓等級(jí)越高，電網(wǎng)的電壓波動(dòng)越小。

中性點(diǎn)調(diào)壓方式下，在調(diào)壓變壓器中設(shè)置了補(bǔ)償繞組，確保低壓側(cè)電壓波動(dòng)能夠滿足要求。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)、繞組電磁耦合關(guān)系得出變壓器高、中、低壓側(cè)電壓Uh、Um、Ul為：

式中：f為系統(tǒng)頻率，其值為50 Hz。

中性點(diǎn)調(diào)壓方式下，分接檔位的變化會(huì)引起主體變壓器、調(diào)壓變壓器、補(bǔ)償變壓器的鐵心磁通發(fā)生不同程度的變化，同時(shí)補(bǔ)償變壓器磁通的變化率要大于主體變壓器和調(diào)壓變壓器。以某廠生產(chǎn)的兩種補(bǔ)償方式的特高壓變壓器為例，其中調(diào)壓繞組TV有9個(gè)分接，各繞組數(shù)量如表1所示。比較和分析兩種補(bǔ)償方式下不同分接時(shí)主體變壓器低壓側(cè)電壓Ul和調(diào)壓變壓器磁通φ3相對分接檔位在5時(shí)的變化率（即沒有接入調(diào)壓變壓器）。

表1 兩種補(bǔ)償方式的特高壓變壓器繞組數(shù)量 匝

定義變化率y為：

式中：xi為在第i分接頭下低壓側(cè)電壓或調(diào)壓變壓器磁通，i為分接頭位置。由式（5）分別計(jì)算低壓側(cè)電壓變化率和調(diào)壓變壓器磁通變化率，變化趨勢如表2和圖6、圖7所示。從圖中可以看出，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)小。

圖6 兩種補(bǔ)償方式的特高壓變壓器磁通變化率

圖7 兩種補(bǔ)償方式的特高壓變壓器電壓變化率

表2 不同補(bǔ)償方式下磁通、電壓變化率 %

4 結(jié)語

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。雖然采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式會(huì)造成低壓側(cè)電壓的變化，但綜合考慮絕緣要求、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等要求，特高壓變壓器宜采用中性點(diǎn)調(diào)壓，通過補(bǔ)償繞組補(bǔ)償可滿足調(diào)壓要求。兩種補(bǔ)償方式中，完全補(bǔ)償方式相比非完全補(bǔ)償方式調(diào)壓效果好，低壓側(cè)電壓變化小。