特高壓變壓器調(diào)壓方式及原理分析

趙東森，徐育福

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077;（2.國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司,福建 福州 350013)

0 引言

超高壓交流電網(wǎng)變壓器一般為自耦變壓器，大多數(shù)采用單相三柱鐵芯，單柱或兩柱套線圈結(jié)構(gòu)，單相或者三相一體式。特高壓交流電網(wǎng)變壓器一般為主體變和調(diào)補變分箱布置，采用單相四柱或單相五柱鐵芯，兩柱或三柱套線圈結(jié)構(gòu)。目前，超特高壓變壓器單相容量范圍為250～1 000 MV·A。按調(diào)壓方式分，可分為有載調(diào)壓和無載調(diào)壓。按調(diào)壓繞組位置分，可分為中壓側(cè)線端調(diào)壓、中性點調(diào)壓和串聯(lián)繞組末端調(diào)壓等三種[1]，一般的調(diào)壓方式如圖1所示。有載調(diào)壓開關(guān)的故障在變壓器故障中占有很大比例，有載調(diào)壓變壓器的故障率約為無載調(diào)壓變壓器的4倍，而有載調(diào)壓裝置自身的故障約占40%[1]，所以前者會增加變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和造價成本，且降低了變壓器的運行可靠性。目前，超特高電網(wǎng)變壓器一般采用無載調(diào)壓方式。

圖1 變壓器一般調(diào)壓方式Fig.1 Transformer general voltage regulation mode

超高壓變壓器多數(shù)采用中壓側(cè)線端調(diào)壓，按照箱體來分，單相自耦或三相自耦，用來聯(lián)絡(luò)500 kV與220 kV電網(wǎng)，其線端調(diào)壓絕緣水平為220 kV。特高壓變壓器若采用500 kV線端調(diào)壓，絕緣水平相對較高，線端入波時調(diào)壓開關(guān)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)壓開關(guān)。因此，現(xiàn)階段特高壓變壓器只能采用中性點變磁通調(diào)壓方式，用來聯(lián)絡(luò)1 000 kV與500 kV電網(wǎng)。

1 線端調(diào)壓原理分析

超高壓電網(wǎng)常采用中壓線端調(diào)壓方式。由于在調(diào)壓時繞組的每匝電壓不變，不會引起鐵芯磁通改變，所以這種調(diào)壓方式稱為恒磁通調(diào)壓。當(dāng)中壓側(cè)電壓調(diào)整時，低壓側(cè)電壓不受或少受影響。因變壓器中壓側(cè)額定電流大、引線粗，當(dāng)采用線端調(diào)壓時，大量引線的絕緣處理難度大，高場強區(qū)域范圍較大，因而中壓側(cè)線端往往成為變壓器絕緣的薄弱點。特高壓變壓器采用中性點調(diào)壓方式，主要是由變壓器的自身特點來決定。1 000 kV級變壓器首先應(yīng)該考慮絕緣問題，如采用線端調(diào)壓方式，則調(diào)壓裝置的絕緣水平要求很高，其可靠性難以保證。

中壓側(cè)線端調(diào)壓方式，常見接線情況如圖1(a)、(b)所示。此調(diào)壓方式將調(diào)壓開關(guān)直接接于中壓側(cè)出線端部，當(dāng)高壓側(cè)電壓保持不變、中壓側(cè)電壓變化時，按電壓升高或降低相應(yīng)地增加或減少匝數(shù)，保持每匝電勢不變，從而保證自耦變壓器鐵芯磁通密度為一恒定數(shù)值，消除過激磁現(xiàn)象，使第三繞組電壓不至于發(fā)生波動。如果高壓側(cè)電壓變化時，變壓器的勵磁狀態(tài)雖然也會發(fā)生變化，影響到低壓側(cè)的電壓數(shù)值，但這種變化遠較中性點調(diào)壓方式為小，不會大于電壓波動范圍。

串聯(lián)繞組末端調(diào)壓方式，如圖1(d)所示。它在高壓側(cè)串聯(lián)繞組處直接進行調(diào)壓，當(dāng)高壓側(cè)電壓升高時，相應(yīng)增加線圈匝數(shù)，當(dāng)高壓側(cè)電壓降低時，相應(yīng)減少線圈匝數(shù)，是一種保證鐵芯磁通密度恒定的線端調(diào)壓方式。該方式可克服中性點調(diào)壓帶來的電壓波動問題，使中壓側(cè)和低壓側(cè)電壓保持不變。

通常情況下，1 000 kV變壓器常采用圖1（c）調(diào)壓方式調(diào)壓，500 kV變壓器多采用圖1(a)、(b)調(diào)壓方式調(diào)壓，330 kV三相自耦變壓器多采用圖1(d)調(diào)壓方式調(diào)壓。

2 中性點調(diào)壓原理分析

中性點調(diào)壓方式，見圖l(c)所示，這種調(diào)壓方式的最大優(yōu)點是調(diào)壓繞組及調(diào)壓裝置的工作電壓低，絕緣水平要求較低；工作電流小，工作電流為公共繞組電流，即中壓側(cè)電流與高壓側(cè)電流之差，其值約為中壓側(cè)電流的54%。但中性點調(diào)壓方式的問題是由于調(diào)壓線圈設(shè)在公共繞組上，當(dāng)調(diào)整分接頭位置時，則不僅中壓側(cè)電壓發(fā)生變化，高壓側(cè)電壓也相應(yīng)變化。同時，第三繞組也會出現(xiàn)電壓偏移現(xiàn)象，當(dāng)升高中壓側(cè)電壓時，將降低低壓側(cè)的電壓，如果中壓側(cè)電壓變化較大，有可能導(dǎo)致低壓側(cè)無法使用。而且，中性點調(diào)壓也稱為變磁通調(diào)壓，調(diào)壓過程中主繞組的感應(yīng)電勢隨之變化，從而可能出現(xiàn)過激磁現(xiàn)象[2-5]。

圖2繞組聯(lián)結(jié)圖Fig.2 Transformer winding connection diagram

中性點調(diào)壓方式的最大優(yōu)點是調(diào)壓繞組和調(diào)壓裝置的電壓低，絕緣要求低，制造工藝易實現(xiàn)，整體造價低。本文以某特高壓變壓器為例，型號為ODFPS-1000000/1000，1050/3/525/3 ±4×1.25%/110 kV，總體外部結(jié)構(gòu)采用獨立外置調(diào)壓方式，即變壓器本體與調(diào)壓補償變分箱布置，設(shè)置補償繞組限制因分接位置變化引起低壓側(cè)電壓波動。

某特高壓主變壓器的鐵芯采用單相五柱式，三個立柱的高壓繞組、中壓繞組和低壓繞組分別并聯(lián)引出，每柱上的繞組排列順序為：鐵芯柱-低壓繞組=中壓（公共）繞組-高壓（串聯(lián)）繞組。其7個繞組的匝數(shù)如下：NHV=NMV=854；NLV=310；NPV=649；NPV'=460；NBV=86；NTV=±45×4，1檔位時為45×4，9檔位時為-45×4，1到9檔位分接等差遞減[5]。第1檔位X2對應(yīng)于分接開關(guān)的端子為8[4]。

圖3 中性點調(diào)壓原理圖Fig.3 Principle diagram of transformer neutral point voltage regulation

為了保證低壓電壓恒定，將補償繞組串入低壓繞組，在補償變壓器中設(shè)置有PV'和BV，用于補償?shù)蛪弘妷旱牟▌印Ｓ捎谡{(diào)壓補償變中有2個鐵芯，主體變中有1個鐵芯。鐵芯中將分別產(chǎn)生磁通為Φ1、Φ2、Φ3，且每磁通導(dǎo)致磁通流過繞組每匝線圈感應(yīng)出的電動勢分別相同，依次為e1、e2、e3。磁通與感應(yīng)電動勢關(guān)系為Φ=e/4.44f，f為系統(tǒng)頻率，圖3中虛線表明磁通流通的示意情況。因此，這7個繞組的電磁耦合關(guān)系如下：HV、MV、LV有電磁耦合,PV，TV有電磁耦合、PV'、BV有電磁耦合,根據(jù)圖3中的電磁耦合關(guān)系，可推出公式（1）、（2）。

圖4 調(diào)壓過程中典型電氣參數(shù)變化情況Fig.4 Typical electric parameters in transformer voltage regulation process

UHP、UMP、ULP分別為高壓、中壓、低壓相電壓?？梢酝ㄟ^式（1）、式（2）分析調(diào)壓情況。其中額定檔位為第5檔位，此時調(diào)壓繞組TV的分接開關(guān)的端子為4，調(diào)壓繞組接入匝數(shù)為零，相當(dāng)于X與X3、X2、X1短接，調(diào)壓變退出運行，補償變和主體變運行，此時式（1）（2）中的e3為0。

按照公式（1）（2），以及上文中的某特高壓主變7個繞組匝數(shù)情況，分別對感應(yīng)勢e、高電壓側(cè)相電壓U、磁通量Φ進行作圖，如圖4所示。從圖中，知曉三個Φ1、Φ2、Φ3對應(yīng)于每檔均發(fā)生變化，高壓側(cè)電壓始終不變，低壓側(cè)相電壓波動范圍為[-0.135，0.169]%，中壓側(cè)相電壓調(diào)節(jié)范圍為[-5.30，4.793]%，其變化關(guān)系為線性，滿足相關(guān)技術(shù)條件。

3 中性點調(diào)壓補償原理分析

圖5 分接開關(guān)分接頭為1、2、3、4檔時繞組電勢圖Fig.5 The transformer tap changer is divided into 1,2,3,4,and the winding potential diagram

當(dāng)分接頭為1、2、3、4檔時，繞組電勢圖見圖5。此時，主體變公共繞組(MV)末端正向串聯(lián)了調(diào)壓繞組(TV)，主體變變比和電勢方向固定，調(diào)壓變調(diào)壓繞組(TV)與主體變高壓繞組(HV)和公共繞組(MV)電勢方向相同，高壓側(cè)電勢大小EAX=EHV+EMV+ETV，中壓側(cè)電勢大小EAmX=EMV+ETV；補償變勵磁繞組(PV')電勢大小和方向與調(diào)壓變調(diào)壓繞組(TV)相同，補償繞組(BV)與主體變低壓繞組(LV)正向串聯(lián)，電勢方向相同，低壓側(cè)電勢Eax=ELV+EBV；調(diào)壓變勵磁繞組(PV)電勢大小和方向與低壓側(cè)相同(EPV=Eax=ELV+EBV)。設(shè)高壓側(cè)電壓大小不變，相比額定檔位，由于正向串聯(lián)調(diào)壓繞組(TV)，ETV正向分壓導(dǎo)致EHV、EMV、ELV大小均減小，而EHV減小將使中壓側(cè)EAmX變大(EAmX=EMV+ETV)，實現(xiàn)中壓側(cè)電壓調(diào)高的調(diào)節(jié)；同時ETV正向分壓使EPV'大小增加，EBV隨之增加，從而補償由于ELV減小而導(dǎo)致低壓側(cè)Eax的變化，實現(xiàn)低壓側(cè)補償功能(Eax=ELV+EBV)。

圖6 分接開關(guān)分接頭為6、7、8、9檔時繞組電勢圖Fig.6 The transformer tap changer is divided into 6,7,8,9,and the winding potential diagram

當(dāng)分接頭為6、7、8、9檔時，繞組電勢圖見圖6。此時，主體變公共繞組(MV)末端反向串聯(lián)了調(diào)壓繞組(TV)，主體變變比和電勢方向固定，調(diào)壓變調(diào)壓繞組(TV)與主體變高壓繞組(HV)和公共繞組(MV)電勢方向相反，高壓側(cè)電勢大小EAX=EHV+EMV-ETV，中壓側(cè)電勢大小EAmX=EMV-ETV；補償變勵磁繞組(PV')電勢大小和方向與調(diào)壓變調(diào)壓繞組(TV)相同（此時與分接頭在1、2、3、4檔時的電勢方向是相反的），補償繞組(BV)與主體變低壓繞組(LV)正向串聯(lián)，電勢方向相反，低壓側(cè)電勢大小為Eax=ELV-EBV；調(diào)壓變勵磁繞組(PV)電勢大小和方向與主體變低壓繞組(LV)相同(EPV=Eax=ELV-EBV)。設(shè)高壓側(cè)電壓大小不變，相比額定檔位，由于反向串聯(lián)調(diào)壓繞組(TV)，ETV反向分壓導(dǎo)致EHV、EMV、ELV大小均增加，而EHV增加將使中壓側(cè)EAmX減小(EAmX=EMV-ETV)，實現(xiàn)中壓側(cè)電壓調(diào)低的調(diào)節(jié)；同時ETV反向分壓使EPV'反向增加，EBV隨之反向增加，從而補償由于ELV增加而導(dǎo)致低壓側(cè)Eax的變化，實現(xiàn)低壓側(cè)補償功能(Eax=ELV-EBV)。

4 結(jié)論

某ODFPS-1000000/1000變壓器總體外部結(jié)構(gòu)采用獨立外置調(diào)壓變方式，即變壓器本體與調(diào)壓補償變分箱布置，現(xiàn)場通過外接引線把變壓器本體與調(diào)壓補償變連接起來使用。

1 000 kV變壓器采取了中性點變磁通調(diào)壓的調(diào)壓方式,如果不采取措施,其低壓輸出電壓將隨分接位置的變化而變化。分析其變化率最大將超過±5%,這是系統(tǒng)運行所不允許的,通過實例，為了控制這種變化,補償繞組來補償?shù)蛪弘妷?使低壓輸出電壓偏差控制在1%以內(nèi)，數(shù)據(jù)表明其調(diào)壓變化情況為線性，滿足相關(guān)的技術(shù)要求[6-8]。

本文從線端調(diào)壓、中性點調(diào)壓及補償原理分析著手，闡述了特高壓變壓器的調(diào)壓方式和原理，對設(shè)備生產(chǎn)、運行、檢修起到一定的參考價值。

[參考文獻]（References）

[1]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[J].電力設(shè)備,2005,6(8)：18-19.Feng Qingdong,Wang Wei.UHV Transformer Tech?nology Status and development trend of foreign[J].Electrical Equipment,2005,6(8)：18-19.

[2]孔志達，簡翔浩.1 500 MV·A大容量自耦變壓器調(diào)壓方式選擇[J].廣東輸電與變電技術(shù),2008(4)：61-62.Kong Zhida,Jian Xianghao.1 500 MV·A large capac?ity autotransformersadjustable pressure mode se?lection[J].Guangdong Power Transmission Technol?ogy,2008(4)：61-62.

[3]王超,郭海波.解析1 000 kV特高壓變壓器基本原理與結(jié)構(gòu)特點[J].科技與企業(yè),2015(20)：215.Wang Chao,Guo Haibo.The basic principle and structure characteristics of 1 000 kV UHV Trans?former[J].Science and Technology Enterprise,2015(20)：215.

[4]沈煜,魏光華.1 000 kV特高壓變壓器現(xiàn)場泄漏電流測量技術(shù)研究[J].湖北電力,2009(S1)：13-15.Shen Yu,Wei Guanghua.1 000 kV UHV Transformer Leakage Current Measurement Technology Research[J].Hubei Electric Power,2009(S1)：13-15.

[5]郭慧浩,付錫年.特高壓變壓器調(diào)壓方式的探討[J].高電壓技術(shù),2006(12)：112-114.Guo Huihao,Fu Xinian.Investigation ofUHV Transformer voltage regulation mode[J].High Volt?age Engineering,2006(12)：112-114.

[6]萬達.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(1)：12-16.Wanda.Technical characteristics of UHV AC trans?former and shunt reactor[J].East China Electric Power,2014(1)：12-16.

[7]常伯濤，楊玉洲，李佩澤.交流特高壓變壓器技術(shù)分析及展望[J].河北電力技術(shù),2015(2)：6-8.ChangBotao,YangYuzhou,LiPeize.Technical analysis and Prospect of AC UHV Transformer[J].Hebei Electric Power,2015(2)：6-8.

[8]孫多.1 000 kV變壓器調(diào)壓方式選擇及運行維護[J].中國電力,2010(7)：29-33.Sun Duo.1000 kV transformervoltage regulation mode selection and operation and maintenance of[J].Electric Power,2010(7)：29-33.