1 000 kV特高壓泉城站主變壓器特點(diǎn)解析

劉希峰，安 濱，陳彬彬，喬 木

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118）

1 000 kV特高壓泉城站主變壓器特點(diǎn)解析

劉希峰，安 濱，陳彬彬，喬 木

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118）

針對(duì)特高壓變壓器電壓等級(jí)高，線端調(diào)壓很難實(shí)現(xiàn)的問題，詳細(xì)說明特高壓變壓器采用中性點(diǎn)無勵(lì)磁調(diào)壓方式的合理性。結(jié)合1 000 kV特高壓泉城站兩種不同芯柱結(jié)構(gòu)的主變壓器，重點(diǎn)對(duì)調(diào)壓方式和調(diào)壓補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)的差異進(jìn)行分析，對(duì)今后特高壓變壓器的安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)工作具有重要參考意義。

特高壓變壓器；中性點(diǎn)調(diào)壓；調(diào)壓方式；差動(dòng)保護(hù)

0 引言

由于我國(guó)資源分布極不均衡，火電容量主要集中在山西、內(nèi)蒙古、陜西等省份，水電容量主要集中在云南、貴州等省份，發(fā)展遠(yuǎn)距離、大容量的特高壓電網(wǎng)可以將西南的富裕水電和西部地區(qū)的富?；痣姈|送和南送，實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)節(jié)和水火電互濟(jì)，對(duì)于調(diào)整目前的能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。在特高壓電網(wǎng)當(dāng)中，特高壓變壓器對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。山東省首座1 000 kV特高壓變電站（泉城站）的變壓器由兩家變壓器廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)。這兩家變壓器廠生產(chǎn)的特高壓變壓器主體變芯柱容量不同，一種主體變采用的是三芯柱結(jié)構(gòu)，每柱容量為334 MVA，另一種主體變采用的是兩芯柱結(jié)構(gòu)，每柱容量為500 MVA。對(duì)特高壓泉城站這兩種不同芯柱變壓器的結(jié)構(gòu)、調(diào)壓方式以及調(diào)壓補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)特性等方面進(jìn)行分析，為今后特高壓變壓器的運(yùn)維和檢修工作提供參考。

1 特高壓變壓器調(diào)壓方式

1.1 特高壓變壓器采用單相自耦方式

目前單臺(tái)特高壓變壓器容量已經(jīng)達(dá)到1 000 MVA，工頻耐受電壓達(dá)到1 100 kV，大容量和高絕緣的特點(diǎn)決定了特高壓變壓器的體積非常大。如果采用普通的變壓器結(jié)構(gòu)，如此大的體積給變壓器的運(yùn)輸工作帶來很多問題，采用單相自耦變壓器設(shè)計(jì)方法可以有效減小變壓器體積，方便變壓器的運(yùn)輸，同時(shí)還可以大大節(jié)約成本。采用單相自耦變壓器也可以設(shè)置備用相，當(dāng)一相主變發(fā)生故障時(shí)，可以立即啟用備用變，恢復(fù)電網(wǎng)的運(yùn)行。蘇聯(lián)、日本、意大利等國(guó)家都采用單相自耦變壓器結(jié)構(gòu)［1-3］制造過特高壓主變，可知采用單相自耦變壓器結(jié)構(gòu)適用于1 000 kV特高壓變壓器。

1.2 特高壓變壓器采用無勵(lì)磁調(diào)壓方式

變壓器的調(diào)壓方式分為有載調(diào)壓和無勵(lì)磁調(diào)壓兩種，有載調(diào)壓方式具有操作簡(jiǎn)單、電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，有載調(diào)壓變壓器故障率約是無載調(diào)壓變壓器的4倍［4-6］。同時(shí)有載調(diào)壓開關(guān)的操縱結(jié)構(gòu)、滅弧部分等都很容易發(fā)生故障。

我國(guó)電網(wǎng)中運(yùn)行的500 kV變壓器采用載調(diào)壓和無勵(lì)磁調(diào)壓兩種方式，750 kV變壓器均采用無勵(lì)磁調(diào)壓方式。電壓等級(jí)越高，電壓波動(dòng)范圍越小，采用無勵(lì)磁調(diào)壓方式完全可以滿足電網(wǎng)運(yùn)行方式對(duì)電壓調(diào)整的要求。因此，1 000 kV特高壓變壓器應(yīng)采用無勵(lì)磁調(diào)壓方式。

1.3 特高壓變壓器采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式

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)壓兩種。線端調(diào)壓通常指在中壓側(cè)進(jìn)行調(diào)壓，為恒磁通調(diào)壓。中性點(diǎn)調(diào)壓方式指通過中性點(diǎn)進(jìn)行調(diào)壓，為變磁通調(diào)壓。

目前500 kV、750 kV變壓器均采用中壓側(cè)線端調(diào)壓，這種調(diào)壓方式為恒磁通調(diào)壓，在中壓側(cè)線端調(diào)壓時(shí)低壓側(cè)電壓基本不受影響。此種調(diào)壓方式雖然簡(jiǎn)單可靠，但是中壓側(cè)額定電流大、引線粗，尤其是引線絕緣處理難度很大。特高壓變壓器電壓等級(jí)高，中壓側(cè)電壓為525 kV，如果繼續(xù)采用恒磁通調(diào)壓方式，對(duì)于調(diào)壓裝置的絕緣水平要求太高，其可靠性根本無法保證，所以特高壓變壓器不宜采用恒磁通調(diào)壓方式。如果采用變磁通調(diào)壓方式，可以有效降低調(diào)壓裝置上的電壓，絕緣處理要求也低，分接開關(guān)制造簡(jiǎn)單，因此，1 000 kV特高壓變壓器應(yīng)采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式。

綜上所述，特高壓變壓器的調(diào)壓方式為中性點(diǎn)無勵(lì)磁調(diào)壓方式，為了便于運(yùn)輸和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高特高壓變壓器運(yùn)行穩(wěn)定性，特高壓變壓器采用的是自耦變壓器（主體變壓器）和調(diào)壓補(bǔ)償變壓器分箱布置，分別放在兩個(gè)油箱中，自耦變壓器和調(diào)壓補(bǔ)償變壓器通過管母連接，當(dāng)調(diào)壓補(bǔ)償變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，自耦變壓器可以單獨(dú)運(yùn)行，方便檢修和更換。

2 泉城站特高壓變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 芯柱結(jié)構(gòu)

三芯柱結(jié)構(gòu)特高壓變壓器：主體變鐵芯采用單相五柱式，即三主柱帶兩旁柱，如圖1所示。三主柱各相繞組并聯(lián)，每柱1／3容量，即每柱容量334 MVA。從內(nèi)向外分別為低壓繞組、中壓繞組和高壓繞組；調(diào)壓變鐵芯采用單框三柱式，即一主柱帶兩旁柱，如圖2所示，主柱上套有繞組，從內(nèi)向外為調(diào)壓勵(lì)磁繞組、調(diào)壓繞組；補(bǔ)償變鐵芯采用口子式，即一主柱帶一旁柱，如圖3所示。也是只有主柱上套有繞組，由內(nèi)向外為補(bǔ)償勵(lì)磁繞組、補(bǔ)償繞組。

調(diào)壓變與補(bǔ)償變用一個(gè)油箱，調(diào)壓補(bǔ)償變與主體變通過架空管母連接。

圖1 單相五柱式鐵芯

圖2 單相三柱式鐵芯

圖3 口子式鐵芯

兩芯柱結(jié)構(gòu)特高壓變壓器。主體變鐵芯采用單相四柱式結(jié)構(gòu)，即兩主柱帶兩旁柱，如圖4所示，兩主柱各相繞組并聯(lián)，每柱1／2容量，即每柱容量500 MVA。調(diào)壓變鐵芯采用口子式，兩柱上都套有繞組，兩柱采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。補(bǔ)償變鐵芯與三芯柱結(jié)構(gòu)相同。

2.2 內(nèi)部繞組接線原理

泉城站兩種不同芯柱結(jié)構(gòu)的特高壓變壓器在內(nèi)部繞組接線原理上是一致的，如圖5所示。圖中SV為串聯(lián)繞組，CV為公共繞組，LV為低壓繞組，TV為調(diào)壓繞組，EV為調(diào)壓勵(lì)磁繞組，LE為補(bǔ)償勵(lì)磁繞組，LT為補(bǔ)償繞組。主體變中有串聯(lián)繞組、公共繞組和低壓繞組，調(diào)壓補(bǔ)償變中有調(diào)壓勵(lì)磁繞組、調(diào)壓繞組、補(bǔ)償勵(lì)磁繞組和補(bǔ)償變繞組。其中，調(diào)壓勵(lì)磁繞組和低壓繞組并聯(lián)，是調(diào)壓變壓器的勵(lì)磁電源，補(bǔ)償勵(lì)磁繞組和調(diào)壓繞組并聯(lián)，是補(bǔ)償繞組的勵(lì)磁電源。調(diào)壓繞組與公共繞組串聯(lián)起到調(diào)壓的作用，補(bǔ)償繞組和低壓繞組串聯(lián)起到穩(wěn)定低壓側(cè)電壓的作用。特高壓變壓器三側(cè)額定電壓為：高壓側(cè)1 050 kV（線電壓），中壓側(cè)為525 kV，低壓側(cè)為110 kV。

圖4 單相四柱式鐵芯

圖5 特高壓變壓器內(nèi)部繞組接線原理

2.3 兩種不同芯柱結(jié)構(gòu)變壓器結(jié)構(gòu)比較

在特高壓交流變電站當(dāng)中，三芯柱結(jié)構(gòu)的特高壓變壓器最早得到應(yīng)用，與兩芯柱結(jié)構(gòu)的特高壓變壓器相比，三芯柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用更加成熟可靠。況且兩芯柱結(jié)構(gòu)中單芯柱容量達(dá)到了500 MVA，如此大的容量造成鐵芯高度勢(shì)必增加，變壓器的高度相應(yīng)地也會(huì)增加，這就給變壓器的運(yùn)輸帶來了一定困難。但是，兩芯柱結(jié)構(gòu)變壓器繞組匝數(shù)相比于三芯柱結(jié)構(gòu)變壓器來說減少明顯，大大降低了成本，同時(shí)由于兩芯柱結(jié)構(gòu)變壓器勵(lì)磁涌流小、匝數(shù)少、雜散損耗低，相比于三芯柱結(jié)構(gòu)來說，調(diào)壓時(shí)電壓波動(dòng)小，電壓補(bǔ)償更為精確。

3 泉城站特高壓變壓器調(diào)壓原理

3.1 電磁耦合矩陣方程

由圖5可以得到7個(gè)繞組的電磁關(guān)系：串聯(lián)繞組、公共繞組和低壓繞組之間有電磁聯(lián)系，它們每匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同；調(diào)壓勵(lì)磁繞組和調(diào)壓繞組之間有電磁耦合，每匝線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同；補(bǔ)償勵(lì)磁繞組和補(bǔ)償繞組之間有電磁耦合，每匝線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，通過以上分析可以得出

式中：e1、e2、e3分別是串聯(lián)繞組、調(diào)壓勵(lì)磁繞組、補(bǔ)償勵(lì)磁繞組中每匝電勢(shì)；U為中壓側(cè)電壓（已知量）。利用矩陣方程（1）可求出e1、e2、e3。由矩陣方程（2）可求出高、低側(cè)相電壓Uh、Ul。

SV、TV、EV中的磁通為

式中：f為系統(tǒng)頻率。

調(diào)壓原理為：當(dāng)調(diào)壓變調(diào)壓分接頭在1～4檔時(shí)，中壓側(cè)電壓高于額定電壓（525 kV），加在調(diào)壓繞組上的電壓為正，自耦變中的磁通量降低，在調(diào)壓過程中高壓側(cè)電壓基本不變，低壓繞組、串聯(lián)繞組以及公共繞組共用一個(gè)鐵芯，其磁通量的變化趨勢(shì)保持一致。當(dāng)自耦變中的磁通量變低時(shí)，自耦變中低壓繞組的磁通量也變低，相應(yīng)其低壓繞組上的感應(yīng)電壓也降低。調(diào)壓繞組與補(bǔ)償勵(lì)磁繞組并聯(lián)，當(dāng)調(diào)壓繞組電壓升高時(shí)，補(bǔ)償勵(lì)磁繞組上的感應(yīng)電壓也升高，相應(yīng)補(bǔ)償變中的鐵芯磁通量也升高，補(bǔ)償繞組的感應(yīng)電壓升高，由于此時(shí)補(bǔ)償繞組的感應(yīng)電壓方向與低壓繞組電壓方向相同，低壓繞組的電壓得到補(bǔ)償，其電壓值基本保持不變。調(diào)壓變調(diào)壓分接頭在5～9檔時(shí)，中壓側(cè)電壓低于額定電壓（525 kV），加在調(diào)壓繞組上的電壓為負(fù)，自耦變壓器中鐵芯磁通增加。當(dāng)自耦變壓器中的磁通量增加時(shí)，自耦變壓器中低壓繞組的磁通量也增加，低壓繞組上的感應(yīng)電壓相應(yīng)升高。當(dāng)調(diào)壓繞組的電壓降低時(shí)，同理補(bǔ)償繞組的感應(yīng)電壓也降低，此時(shí)補(bǔ)償繞組與低壓繞組電壓方向相反，其低壓側(cè)電壓值也能基本保持不變。

3.2 兩種芯柱結(jié)構(gòu)特高壓主變調(diào)壓原理

三芯柱特高壓變壓器繞組匝數(shù)：

NSV=854匝；NCV=854匝；NLV=310匝；NEV=649匝；NLE=460匝；NLT=86匝；NTV=45×4匝，1到9分接等差遞減。

雙芯柱特高壓變壓器繞組匝數(shù)：

NSV=678匝；NCV=678匝；NLV=246匝；NEV=738匝；NLE=306匝；NLT=56匝；NTV=51×4匝，1到9分接等差遞減。

當(dāng)調(diào)壓變處于第一檔位時(shí)，中壓側(cè)電壓為551 kV，由矩陣方程（1）可得三芯柱特高壓變壓器各鐵心中電壓

e1=338.4 V；e2=161.6 V；e3=63.3 V。

高壓側(cè)相電壓

Uh=854×2×338.4+180×161.6=607 075.2（V）

高壓側(cè)線電壓

U′h=607 075.2×1.732=1 051.4×103（V）

低壓側(cè)電壓未補(bǔ)償前為

Ul=310×338.4=104.9×103（V）

電壓偏差為

110-104.9=5.1（kV）

補(bǔ)償后低壓側(cè)電壓為

U′l=310×338.4+86×63.3=110.3×103（V）

電壓偏差變?yōu)?/p>

110.3 -110=0.3（kV）

電壓偏差變小。

雙芯柱特高壓變壓器各鐵芯中電壓

e1=425.7 V；e2=141.9 V；e3=94.6 V。

高壓側(cè)相電壓為

Uh=678×2×425.7+204×141.9=606 196.8（V）

高壓側(cè)線電壓為

U′h=606 196.8×1.732=1 049.9×103（V）

低壓側(cè)電壓未補(bǔ)償前為

UL=246×425.7=104.7×103（V）

電壓偏差為

110-104.7=5.3（kV）

補(bǔ)償后低壓側(cè)電壓為

U′L=246×425.7+56×94.6=110.02×103（V）

電壓偏差為

110.02 -110=0.02（kV）

電壓偏差明顯變小。

當(dāng)調(diào)壓變處于第九檔位時(shí)，中壓側(cè)電壓為498 kV，根據(jù)上述計(jì)算過程可得三芯柱特高壓變壓器的電壓分別為

U′h=606 572×1.732=1 050.6×103V

U′l=109.85×103V，

兩芯柱特高壓變壓器的電壓為

U′h=607 111×1.732=1 051.5×103V

U′l=109.93×103V

當(dāng)中壓側(cè)電壓變化較大時(shí)，可以看出高壓側(cè)電壓基本保持相等，因此當(dāng)兩臺(tái)主變并列運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)也不會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流，不同電壓檔位下，兩種芯柱特高壓主變高壓側(cè)、低壓側(cè)的電壓如表1所示。

表1 兩種芯柱結(jié)構(gòu)特高壓主變電壓比較

從表1的數(shù)據(jù)可知，兩種芯柱結(jié)構(gòu)的特高壓主變都能夠滿足中壓側(cè)調(diào)壓的過程中，高壓側(cè)電壓基本不變，低壓側(cè)電壓變化不超過±0.2 kV的要求。相比三芯柱特高壓主變，兩芯柱特高壓主變?cè)谡{(diào)壓過程中低壓側(cè)電壓波動(dòng)更小，補(bǔ)償電壓更為準(zhǔn)確，與之前的分析一致。

4 泉城站調(diào)壓補(bǔ)償變壓器差動(dòng)保護(hù)

為了保證調(diào)壓變和補(bǔ)償變?cè)验g絕緣的靈敏度，調(diào)壓變和補(bǔ)償變都需要配置電流差動(dòng)保護(hù)，與以往特高壓主變相比，泉城站特高壓變壓器調(diào)壓補(bǔ)償變電流差動(dòng)保護(hù)有所改進(jìn)，以往特高壓變壓器調(diào)壓補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)接線如圖6所示，泉城站特高壓變壓器調(diào)壓補(bǔ)償變壓器差動(dòng)保護(hù)接線如圖7所示。

圖6 原調(diào)壓補(bǔ)償變的差動(dòng)保護(hù)接線

從圖6、圖7中可以看出，在調(diào)壓變差動(dòng)保護(hù)方面，泉城站特高壓變壓器與以往的特高壓變壓器是一樣的，所取電流都為公共繞組電流ITA5，調(diào)壓繞組電流ITA6以及補(bǔ)償變電流ITA7。當(dāng)調(diào)壓變調(diào)壓分接頭在1～4檔時(shí)，加在調(diào)壓繞組上的電壓為正，電流為正方向，如果規(guī)定以流進(jìn)調(diào)壓變的電流方向?yàn)檎?，可以得到ITA7=ITA5+ITA6，調(diào)壓變差動(dòng)保護(hù)所需電流ID=ITA7-ITA6-ITA5。當(dāng)調(diào)壓變調(diào)壓分接頭在6～9檔時(shí)，加在調(diào)壓繞組上的電壓為負(fù)，電流為負(fù)方向，可以得到ITA7=（-ITA5）+（-ITA6）， 調(diào)壓變差動(dòng)保護(hù)所需電流 ID=ITA7+ ITA6+ITA5。

圖7 泉城站調(diào)壓補(bǔ)償變的差動(dòng)保護(hù)接線

泉城站特高壓變壓器與以往的特高壓變壓器在補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)方面所取的電流是不同的。以往特高壓變壓器補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)所取的電流為低壓繞組電流 ITA4、補(bǔ)償繞組電流 ITA6、調(diào)壓繞組電流 ITA7。如果規(guī)定流進(jìn)補(bǔ)償變方向?yàn)檎?，可以得到ITA6=（-ITA4）+（-ITA7），補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)所取電流為 ID=ITA6+ITA4+ ITA7。泉城站特高壓變壓器補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)所取的電流為低壓繞組電流和調(diào)壓繞組電流之和ITA4、補(bǔ)償繞組電流ITA6，可以得到ITA6=-ITA4，補(bǔ)償變差動(dòng)保護(hù)所取電流ID=ITA6+ITA4。

通過以上分析可知，泉城站特高壓變壓器在調(diào)壓變保護(hù)方面與以往的特高壓變壓器沒有區(qū)別，在補(bǔ)償變保護(hù)方面泉城站特高壓變壓器有所改進(jìn)，補(bǔ)償變保護(hù)不取調(diào)壓繞組電流ITA7，使其電流差動(dòng)保護(hù)邏輯更為簡(jiǎn)單，保護(hù)動(dòng)作更加靈敏可靠。

5 結(jié)語

通過對(duì)1 000 kV特高壓主變調(diào)壓原理的介紹以及對(duì)泉城站兩種不同芯柱結(jié)構(gòu)特高壓變壓器差異的分析，為泉城站投運(yùn)后特高壓主變的運(yùn)行維護(hù)工作提供參考。

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Analysis on Characteristics of the Main Transformer for the Quancheng 1 000 kV UHV Station

LIU Xifeng，AN Bin，CHEN Binbin，Qiao Mu
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Due to the high voltage，the terminal voltage-regulating is not available for the UHV Transformer.In this paper，the rationality of neutral terminal off-circuit voltage regulation for UHV transformers is discussed.Combining with the two core column transformers used in the Quancheng 1 000 kV UHV station， differences of the voltage regulation and the differential protection of the compensation transformer are analyzed.Analysis results have important references for installation，debugging and operation mantenance of UHV transformers.

UHV transformers；neutral point voltage regulation；voltage regulation；differential protection

TM401+.2；TM723

A

1007－9904（2017）02－0037－06

2016-10-15

劉希峰（1974），男，工程師，從事電力安全生產(chǎn)管理工作；

安 濱（1990），男，主要從事特高壓運(yùn)檢工作；

陳彬彬（1981），男，工程師，主要從事特高壓運(yùn)檢工作；

喬 木（1990），男，從事特高壓運(yùn)檢工作。