交流特高壓變壓器技術(shù)分析及展望

常伯濤1，楊玉洲2，李佩澤3

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊050031;2.河北省送變電公司，石家莊050051；3.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,石家莊050021)

摘要：介紹交流特高壓變壓器的發(fā)展現(xiàn)狀與交流特高壓變壓器的特點，分析分體布置的交流特高壓變壓器的布置特點、采用中性點變磁通調(diào)壓方式的交流特高壓變壓器的調(diào)壓補償方式、單柱容量334 MVA的三柱(繞組芯柱)結(jié)構(gòu)和單柱容量500 MVA的雙柱結(jié)構(gòu)的交流特高壓變壓器結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合工程應(yīng)用，提出交流特高壓變壓器發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：交流特高壓變壓器；分體布置；調(diào)壓補償方式；結(jié)構(gòu)特點

收稿日期：2015-02-10

作者簡介：常伯濤(1983-)，男，工程師，主要從事變電一次設(shè)計工作。

中圖分類號：T76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1001-9898(2015)02-0006-03

Abstract:This paper summarizes the current situation of the development of UHV AC transformer,analyzes the characteristics of UHV transformer,focus on split-type layout，regulating transformer compensation mode analysis and structure features,Combined with engineering application,puts forward development direction.

Technical Analysis and Prospect of UHV AC Transformer

Chang Botao1，Yang Yuzhou2，Li Peize3

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China；2.Hebei Electric Power Transmission & Transformation Company,Shijiazhuang 050051,China；3.State Grid Hebei Economic and Technology Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Key words：UHV ac transformer；split-type layout；regulating transformer compensation mode；structure features

我國能源集中在西部，而負(fù)荷集中在東部，從而電網(wǎng)構(gòu)成了西電東送、南北互供的輸電格局，采用特高壓遠(yuǎn)距離、大容量輸送電力。特高壓變壓器在特高壓電網(wǎng)運行中發(fā)揮著重要作用[1]。以下總結(jié)了交流特高壓變壓器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析交流特高壓變壓器的特點，重點對變壓器分體布置、調(diào)壓補償方式、結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，結(jié)合工程應(yīng)用，提出發(fā)展方向。

1發(fā)展現(xiàn)狀

前蘇聯(lián)的1 150 kV變壓器均由烏克扎布熱變壓器廠生產(chǎn)，建成特高壓輸電工程，并投入運行。日本于1996年在新榛名變電設(shè)備試驗場進(jìn)行最高電壓1 100 kV的帶電考核試驗。意大利在1980年與巴西、阿根廷和加拿大等國參與了國際聯(lián)合組織的1 000 kV特高壓輸變電技術(shù)開發(fā)工作[2]。

2008年天威保變公司和特變電工沈變公司分別為特高壓交流試驗示范工程制造了世界上單臺容量最大的1 000 MVA/1 000 kV特高壓交流電力變壓器，分別安裝在長治和荊門變電站，2010年在特高壓擴(kuò)建工程中又使用了西電西變公司生產(chǎn)的變壓器。通過淮南-上海、浙北-福州工程的檢驗，我國特高壓變壓器的設(shè)計已日趨成熟。表1為1 000 MVA/1 000 kV特高壓變壓器典型技術(shù)參數(shù)[3]。

2總體布置

交流特高壓變壓器采用分體結(jié)構(gòu)，變壓器分為本體和調(diào)壓補償變壓器兩部分。本體和調(diào)壓變壓器可以作為1臺完整的變壓器使用，也可以單獨使用[4]。主要考慮如下幾項。

表1單相變壓器主要典型參數(shù)

參數(shù)名稱典型參數(shù)額定容量/MVA高壓繞組1000中壓繞組1000低壓繞組334額定電壓/kV高壓繞組1050/3中壓繞組525(520、515)/3低壓繞組110額定阻抗高壓-中壓18%高壓-低壓62%中壓-低壓40%冷卻方式OFAF(主體變壓器)ONAN(調(diào)壓補償變壓器)

注：變壓器形式為單相、自耦、油浸式，調(diào)壓方式為無勵磁調(diào)壓，調(diào)壓位置為中性點。

a. 特高壓變壓器容量大、電壓高、繞組多、絕緣水平高，導(dǎo)致變壓器質(zhì)量和體積都很大，如果將調(diào)壓與補償繞組也放入變壓器本體，那么變壓器結(jié)構(gòu)將變得非常復(fù)雜，絕緣處理也將更加困難，質(zhì)量和體積會成為運輸?shù)闹匾y題。

b. 采用分體結(jié)構(gòu)保證在調(diào)壓補償變壓器故障的情況下，變壓器本體仍然可以單獨運行，主體與調(diào)壓補償變壓器利用架空分裂導(dǎo)線連接，并在主體上架設(shè)支撐絕緣子進(jìn)行過渡。在調(diào)壓變壓器退出運行時，直接將線路導(dǎo)線接在相應(yīng)絕緣子上，即可實現(xiàn)主變壓器單獨運行，提供系統(tǒng)的可靠性。圖1為單相變壓器布置示意圖。

圖1　單相變壓器布置示意

已投運的交流特高壓變電站的變壓器均采用分體結(jié)構(gòu)，但對于運輸條件不便的站址，本體變壓器的運輸問題成為工程成敗的難點，制約特高壓變電站的建設(shè)。如何從變壓器設(shè)計布局方案的整體角度出發(fā)，解決大件運輸問題成為重點研究的工程。如拆卸式引線裝置結(jié)構(gòu)或采用三柱結(jié)構(gòu)代替兩柱結(jié)構(gòu)解決超寬問題；拆卸上鐵軛和引線裝置利用臨時箱蓋運輸減輕重量并解決超高問題；利用可拆卸外置有載分接斷路器結(jié)構(gòu)解決超長問題。或者采用“現(xiàn)場組裝”方式，為大容量變壓器的設(shè)計提供思路。

3調(diào)壓補償方式

自耦變壓器的調(diào)壓一般采用中壓線端調(diào)壓和中性點調(diào)壓2種方式。對于特高壓變壓器，由于中壓為500 kV級，若采用500 kV線端調(diào)壓，絕緣水平相對較高，線端侵入波時調(diào)壓斷路器和調(diào)壓繞組受到較高電場的作用，不僅絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且目前尚無可用的調(diào)壓斷路器。因此，現(xiàn)階段特高壓變壓器均采用中性點變磁通調(diào)壓方式。接線原理見圖2[5]。

HV-串聯(lián)繞組；MV-公共繞組；LV-低壓繞組；

在系統(tǒng)電壓變化時，如果調(diào)整檔位，則三側(cè)電壓均要隨之變化，有可能會使低壓側(cè)電壓波動過大無法使用。為了保證低壓側(cè)電壓恒定，在調(diào)壓補償變壓器中設(shè)置有PV和BV，用于補償?shù)蛪簜?cè)電壓波動。由于調(diào)壓補償變壓器中有2個鐵心，因此，這7個繞組的電磁耦合關(guān)系為：HV、MV、LV有電磁耦合，HV、MV、LV每匝繞組的感應(yīng)電動勢相同；PV、BV有電磁耦合，每匝繞組感應(yīng)電動勢相同；PV、TV有電磁耦合，每匝繞繞組感應(yīng)電動勢相同。

當(dāng)中壓側(cè)系統(tǒng)電壓高于額定值(525 kV)時，分接頭在1-4檔，加在調(diào)壓繞組上電壓為正，則公共繞組和勵磁繞組上電壓降低?？芍阼F心中磁通量將降低，串聯(lián)繞組HV感應(yīng)電壓將降低，則中壓側(cè)系統(tǒng)電壓升高時，高壓側(cè)感應(yīng)電壓基本不變；低壓繞組感應(yīng)電壓降低，由調(diào)壓繞組感應(yīng)出和低壓繞組同方向電壓進(jìn)行補償，低壓側(cè)電壓也基本保持在額定值。

當(dāng)中壓側(cè)電壓低于額定值時，分接頭在6-9檔，其極性端與1-4檔時正好相反，加在調(diào)壓繞組上電壓為負(fù)，則加在公共繞組上電壓超過額定電壓，鐵芯中磁通增加，公共繞組感應(yīng)電動勢升高，高壓側(cè)電壓維持不變；低壓繞組感應(yīng)電壓升高，而調(diào)壓繞組感應(yīng)電壓方向和低壓繞組電壓方向相反，由調(diào)壓繞組感應(yīng)補償電壓和低壓繞組電壓方向也相反，因此經(jīng)補償后低壓側(cè)電壓在偏離額定電壓很小處波動。

通過以上分析，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓補償變壓器的檔位，實現(xiàn)中壓側(cè)調(diào)節(jié)范圍為±5%時，保證低壓側(cè)電壓變化不超過±0.2 kV。

隨著特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，無功電壓控制問題日益突出，有載調(diào)壓成為發(fā)展方向。皖電東送淮南至上海特高壓交流工程蕪湖變電站在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下成功進(jìn)行了特高壓交流變壓器有載調(diào)壓全循環(huán)操作，首次在實際運行的特高壓交流系統(tǒng)中應(yīng)用變壓器有載調(diào)壓技術(shù)。此次實際運行操作的成功進(jìn)一步驗證了特高壓交流變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的有效性和可靠性，為更好解決特高壓電網(wǎng)無功電壓控制難題、提高特高壓電網(wǎng)運行靈活性提供了重要技術(shù)手段。

4結(jié)構(gòu)特點

特高壓變壓器按自耦變壓器心柱容量主要分為2種，一種是三柱(繞組心柱)結(jié)構(gòu)，單柱容量為334 MVA，另一種是雙柱結(jié)構(gòu)，單柱容量500 MVA[6]。

三柱結(jié)構(gòu)的自耦變壓器鐵心采用四框五柱式，即三主柱帶兩旁柱。調(diào)壓變壓器鐵心采用單框三柱式，即一主柱帶兩旁柱。補償變壓器鐵心采用口子式，即一主柱帶一旁柱。主柱、旁柱、鐵軛截面相同。雙柱結(jié)構(gòu)的自耦變壓器鐵心采用四柱式結(jié)構(gòu)，即兩主柱帶兩旁柱，調(diào)壓變壓器、補償變壓器鐵心同三心柱式結(jié)構(gòu)。

兩種心柱結(jié)構(gòu)變壓器在高壓、中壓側(cè)原理基本相同，原理不同主要在低壓側(cè)。三心柱結(jié)構(gòu)變壓器的調(diào)壓變和補償變?nèi)珵樽兇磐ǎ{(diào)壓繞組絕緣水平一般(140 kV)，調(diào)壓時低壓側(cè)電壓需要更為精確的補償．調(diào)壓繞組和勵磁繞組的匝數(shù)多，制造工藝比較成熟。雙心柱結(jié)構(gòu)變壓器的調(diào)壓變?yōu)楹愦磐?，主勵磁繞組絕緣水平較高(275 kV)，補償變?yōu)樽兇磐?。勵磁涌流小、雜散損耗小、匝數(shù)少、調(diào)壓時電壓波動小，且調(diào)壓時低壓側(cè)電壓補償易實現(xiàn)。制造工藝要求較高。

5工程實例

特高壓試驗示范工程選擇三心柱方案，主要出于以下幾點考慮：特高壓變壓器容量單相1 000 MVA，如果采用兩心柱方案，那么鐵心柱高度也必然增加,可能會導(dǎo)致變壓器高度過高，造成運輸困難；相對于兩心柱每柱500 MVA的設(shè)計，三心柱每柱334 MVA的設(shè)計更加成熟可靠。其擴(kuò)建工程中兩心柱結(jié)構(gòu)變壓器成功解決心柱高度等問題，并順利通過型式試驗。

隨著系統(tǒng)需求容量的增加，對特大容量變壓器的需求日益增強，雅安至武漢特高壓交流工程中武漢站提出了變壓器容量為4 500 MVA(單相1 500 MVA)需求，試驗示范擴(kuò)建工程中的變壓器成功采用兩心柱結(jié)構(gòu)(每柱500 MVA)，為單臺容量1 500 MVA特高壓變壓器研制提供了參考。

6結(jié)束語

特高壓交流輸電一種資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的先進(jìn)輸電技術(shù)，以上總結(jié)了交流特高壓變壓器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析交流特高壓變壓器的特點，重點對變壓器分體布置方案、調(diào)壓補償方式、心柱結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，結(jié)合工程應(yīng)用，提出如何減少變壓器外形尺寸、有載調(diào)壓變壓器、超大容量變壓器的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉振亞．特高壓交流電氣設(shè)備[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]劉振亞．國家電網(wǎng)輸變電工程通用設(shè)備1 000 kV變電站分冊[M].北京：中國電力出版社，2013.

[4]萬達(dá)．特高壓交流變壓器和并聯(lián)電抗器的技術(shù)特點[J]．華東電力，2014，42(1)：13-16.

[5]孫多．1 000 kV變壓器調(diào)壓方式選擇及運行維護(hù)[J]．中國電力，2010，43(7)：29-33.

[6]田秋松，張勁光，張健毅，等．兩種不同心柱特高壓變壓器的差異分析[J]．河南電力，2013，21(7)：1-4.

本文責(zé)任編輯：丁力