交流特高压变压器技术分析及展望

交流特高压变压器技术分析及展望

常伯涛1，杨玉洲2，李佩泽3

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄050031;2.河北省送变电公司，石家庄050051；3.国网河北省电力公司经济技术研究院,石家庄050021)

摘要：介绍交流特高压变压器的发展现状与交流特高压变压器的特点，分析分体布置的交流特高压变压器的布置特点、采用中性点变磁通调压方式的交流特高压变压器的调压补偿方式、单柱容量334 MVA的三柱(绕组芯柱)结构和单柱容量500 MVA的双柱结构的交流特高压变压器结构特点，结合工程应用，提出交流特高压变压器发展方向。

关键词：交流特高压变压器；分体布置；调压补偿方式；结构特点

收稿日期：2015-02-10

作者简介：常伯涛(1983-)，男，工程师，主要从事变电一次设计工作。

中图分类号：T76

文献标志码：B

文章编号：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

我国能源集中在西部，而负荷集中在东部，从而电网构成了西电东送、南北互供的输电格局，采用特高压远距离、大容量输送电力。特高压变压器在特高压电网运行中发挥着重要作用[1]。以下总结了交流特高压变压器的发展现状，分析交流特高压变压器的特点，重点对变压器分体布置、调压补偿方式、结构特点进行分析，结合工程应用，提出发展方向。

1发展现状

前苏联的1 150 kV变压器均由乌克扎布热变压器厂生产，建成特高压输电工程，并投入运行。日本于1996年在新榛名变电设备试验场进行最高电压1 100 kV的带电考核试验。意大利在1980年与巴西、阿根廷和加拿大等国参与了国际联合组织的1 000 kV特高压输变电技术开发工作[2]。

2008年天威保变公司和特变电工沈变公司分别为特高压交流试验示范工程制造了世界上单台容量最大的1 000 MVA/1 000 kV特高压交流电力变压器，分别安装在长治和荆门变电站，2010年在特高压扩建工程中又使用了西电西变公司生产的变压器。通过淮南-上海、浙北-福州工程的检验，我国特高压变压器的设计已日趋成熟。表1为1 000 MVA/1 000 kV特高压变压器典型技术参数[3]。

2总体布置

交流特高压变压器采用分体结构，变压器分为本体和调压补偿变压器两部分。本体和调压变压器可以作为1台完整的变压器使用，也可以单独使用[4]。主要考虑如下几项。

表1单相变压器主要典型参数

参数名称典型参数额定容量/MVA高压绕组1000中压绕组1000低压绕组334额定电压/kV高压绕组1050/3中压绕组525(520、515)/3低压绕组110额定阻抗高压-中压18%高压-低压62%中压-低压40%冷却方式OFAF(主体变压器)ONAN(调压补偿变压器)

注：变压器形式为单相、自耦、油浸式，调压方式为无励磁调压，调压位置为中性点。

a. 特高压变压器容量大、电压高、绕组多、绝缘水平高，导致变压器质量和体积都很大，如果将调压与补偿绕组也放入变压器本体，那么变压器结构将变得非常复杂，绝缘处理也将更加困难，质量和体积会成为运输的重要难题。

b. 采用分体结构保证在调压补偿变压器故障的情况下，变压器本体仍然可以单独运行，主体与调压补偿变压器利用架空分裂导线连接，并在主体上架设支撑绝缘子进行过渡。在调压变压器退出运行时，直接将线路导线接在相应绝缘子上，即可实现主变压器单独运行，提供系统的可靠性。图1为单相变压器布置示意图。

图1　单相变压器布置示意

已投运的交流特高压变电站的变压器均采用分体结构，但对于运输条件不便的站址，本体变压器的运输问题成为工程成败的难点，制约特高压变电站的建设。如何从变压器设计布局方案的整体角度出发，解决大件运输问题成为重点研究的工程。如拆卸式引线装置结构或采用三柱结构代替两柱结构解决超宽问题；拆卸上铁轭和引线装置利用临时箱盖运输减轻重量并解决超高问题；利用可拆卸外置有载分接断路器结构解决超长问题。或者采用“现场组装”方式，为大容量变压器的设计提供思路。

3调压补偿方式

自耦变压器的调压一般采用中压线端调压和中性点调压2种方式。对于特高压变压器，由于中压为500 kV级，若采用500 kV线端调压，绝缘水平相对较高，线端侵入波时调压断路器和调压绕组受到较高电场的作用，不仅绝缘结构复杂，而且目前尚无可用的调压断路器。因此，现阶段特高压变压器均采用中性点变磁通调压方式。接线原理见图2[5]。

HV-串联绕组；MV-公共绕组；LV-低压绕组；

在系统电压变化时，如果调整档位，则三侧电压均要随之变化，有可能会使低压侧电压波动过大无法使用。为了保证低压侧电压恒定，在调压补偿变压器中设置有PV和BV，用于补偿低压侧电压波动。由于调压补偿变压器中有2个铁心，因此，这7个绕组的电磁耦合关系为：HV、MV、LV有电磁耦合，HV、MV、LV每匝绕组的感应电动势相同；PV、BV有电磁耦合，每匝绕组感应电动势相同；PV、TV有电磁耦合，每匝绕绕组感应电动势相同。

当中压侧系统电压高于额定值(525 kV)时，分接头在1-4档，加在调压绕组上电压为正，则公共绕组和励磁绕组上电压降低。可知在铁心中磁通量将降低，串联绕组HV感应电压将降低，则中压侧系统电压升高时，高压侧感应电压基本不变；低压绕组感应电压降低，由调压绕组感应出和低压绕组同方向电压进行补偿，低压侧电压也基本保持在额定值。

当中压侧电压低于额定值时，分接头在6-9档，其极性端与1-4档时正好相反，加在调压绕组上电压为负，则加在公共绕组上电压超过额定电压，铁芯中磁通增加，公共绕组感应电动势升高，高压侧电压维持不变；低压绕组感应电压升高，而调压绕组感应电压方向和低压绕组电压方向相反，由调压绕组感应补偿电压和低压绕组电压方向也相反，因此经补偿后低压侧电压在偏离额定电压很小处波动。

通过以上分析，通过调节调压补偿变压器的档位，实现中压侧调节范围为±5%时，保证低压侧电压变化不超过±0.2 kV。

随着特高压电网的发展，无功电压控制问题日益突出，有载调压成为发展方向。皖电东送淮南至上海特高压交流工程芜湖变电站在联网系统正常运行状态下成功进行了特高压交流变压器有载调压全循环操作，首次在实际运行的特高压交流系统中应用变压器有载调压技术。此次实际运行操作的成功进一步验证了特高压交流变压器有载调压技术的有效性和可靠性，为更好解决特高压电网无功电压控制难题、提高特高压电网运行灵活性提供了重要技术手段。

4结构特点

特高压变压器按自耦变压器心柱容量主要分为2种，一种是三柱(绕组心柱)结构，单柱容量为334 MVA，另一种是双柱结构，单柱容量500 MVA[6]。

三柱结构的自耦变压器铁心采用四框五柱式，即三主柱带两旁柱。调压变压器铁心采用单框三柱式，即一主柱带两旁柱。补偿变压器铁心采用口子式，即一主柱带一旁柱。主柱、旁柱、铁轭截面相同。双柱结构的自耦变压器铁心采用四柱式结构，即两主柱带两旁柱，调压变压器、补偿变压器铁心同三心柱式结构。

两种心柱结构变压器在高压、中压侧原理基本相同，原理不同主要在低压侧。三心柱结构变压器的调压变和补偿变全为变磁通，调压绕组绝缘水平一般(140 kV)，调压时低压侧电压需要更为精确的补偿．调压绕组和励磁绕组的匝数多，制造工艺比较成熟。双心柱结构变压器的调压变为恒磁通，主励磁绕组绝缘水平较高(275 kV)，补偿变为变磁通。励磁涌流小、杂散损耗小、匝数少、调压时电压波动小，且调压时低压侧电压补偿易实现。制造工艺要求较高。

5工程实例

特高压试验示范工程选择三心柱方案，主要出于以下几点考虑：特高压变压器容量单相1 000 MVA，如果采用两心柱方案，那么铁心柱高度也必然增加,可能会导致变压器高度过高，造成运输困难；相对于两心柱每柱500 MVA的设计，三心柱每柱334 MVA的设计更加成熟可靠。其扩建工程中两心柱结构变压器成功解决心柱高度等问题，并顺利通过型式试验。

随着系统需求容量的增加，对特大容量变压器的需求日益增强，雅安至武汉特高压交流工程中武汉站提出了变压器容量为4 500 MVA(单相1 500 MVA)需求，试验示范扩建工程中的变压器成功采用两心柱结构(每柱500 MVA)，为单台容量1 500 MVA特高压变压器研制提供了参考。

6结束语

特高压交流输电一种资源节约型和环境友好型的先进输电技术，以上总结了交流特高压变压器的发展现状，分析交流特高压变压器的特点，重点对变压器分体布置方案、调压补偿方式、心柱结构特点进行分析，结合工程应用，提出如何减少变压器外形尺寸、有载调压变压器、超大容量变压器的发展趋势。

参考文献：

[1]刘振亚．中国特高压交流输电技术创新[J]．电网技术，2013，37(3)：6-13.

[2]刘振亚．特高压交流电气设备[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]刘振亚．国家电网输变电工程通用设备1 000 kV变电站分册[M].北京：中国电力出版社，2013.

[4]万达．特高压交流变压器和并联电抗器的技术特点[J]．华东电力，2014，42(1)：13-16.

[5]孙多．1 000 kV变压器调压方式选择及运行维护[J]．中国电力，2010，43(7)：29-33.

[6]田秋松，张劲光，张健毅，等．两种不同心柱特高压变压器的差异分析[J]．河南电力，2013，21(7)：1-4.

本文责任编辑：丁力