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        特高壓變壓器調(diào)壓方式及原理分析

        2016-05-08 03:52:55趙東森徐育福
        湖北電力 2016年3期
        關(guān)鍵詞:變壓器

        趙東森,徐育福

        (1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司,湖北 武漢 430077;(2.國(guó)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(bǔ)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(diǎn)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(huì)增加變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和造價(jià)成本,且降低了變壓器的運(yùn)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(duì)較高,線端入波時(shí)調(diào)壓開關(guān)和調(diào)壓繞組受到較高電場(chǎng)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(diǎn)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(shí)繞組的每匝電壓不變,不會(huì)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(shí),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(shí),大量引線的絕緣處理難度大,高場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)。特高壓變壓器采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式,主要是由變壓器的自身特點(diǎn)來決定。1 000 kV級(jí)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(shí),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(shì)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(dòng)。如果高壓側(cè)電壓變化時(shí),變壓器的勵(lì)磁狀態(tài)雖然也會(huì)發(fā)生變化,影響到低壓側(cè)的電壓數(shù)值,但這種變化遠(yuǎn)較中性點(diǎn)調(diào)壓方式為小,不會(huì)大于電壓波動(dòng)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(jìn)行調(diào)壓,當(dāng)高壓側(cè)電壓升高時(shí),相應(yīng)增加線圈匝數(shù),當(dāng)高壓側(cè)電壓降低時(shí),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(diǎn)調(diào)壓帶來的電壓波動(dòng)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(diǎn)調(diào)壓原理分析

        中性點(diǎn)調(diào)壓方式,見圖l(c)所示,這種調(diào)壓方式的最大優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí),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(shí),第三繞組也會(huì)出現(xiàn)電壓偏移現(xiàn)象,當(dāng)升高中壓側(cè)電壓時(shí),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(diǎn)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(shì)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(diǎn)調(diào)壓方式的最大優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn),整體造價(jià)低。本文以某特高壓變壓器為例,型號(hào)為ODFPS-1000000/1000,1050/3/525/3 ±4×1.25%/110 kV,總體外部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立外置調(diào)壓方式,即變壓器本體與調(diào)壓補(bǔ)償變分箱布置,設(shè)置補(bǔ)償繞組限制因分接位置變化引起低壓側(cè)電壓波動(dòng)。

        某特高壓主變壓器的鐵芯采用單相五柱式,三個(gè)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?yàn)椋鸿F芯柱-低壓繞組=中壓(公共)繞組-高壓(串聯(lián))繞組。其7個(gè)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(shí)為45×4,9檔位時(shí)為-45×4,1到9檔位分接等差遞減[5]。第1檔位X2對(duì)應(yīng)于分接開關(guān)的端子為8[4]。

        圖3 中性點(diǎn)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(bǔ)償繞組串入低壓繞組,在補(bǔ)償變壓器中設(shè)置有PV'和BV,用于補(bǔ)償?shù)蛪弘妷旱牟▌?dòng)。由于調(diào)壓補(bǔ)償變中有2個(gè)鐵芯,主體變中有1個(gè)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(dòng)勢(shì)分別相同,依次為e1、e2、e3。磁通與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(gè)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(shí)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(yùn)行,補(bǔ)償變和主體變運(yùn)行,此時(shí)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(gè)繞組匝數(shù)情況,分別對(duì)感應(yīng)勢(shì)e、高電壓側(cè)相電壓U、磁通量Φ進(jìn)行作圖,如圖4所示。從圖中,知曉三個(gè)Φ1、Φ2、Φ3對(duì)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(dòng)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(diǎn)調(diào)壓補(bǔ)償原理分析

        圖5 分接開關(guān)分接頭為1、2、3、4檔時(shí)繞組電勢(shì)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(shí),繞組電勢(shì)圖見圖5。此時(shí),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(shì)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(shì)方向相同,高壓側(cè)電勢(shì)大小EAX=EHV+EMV+ETV,中壓側(cè)電勢(shì)大小EAmX=EMV+ETV;補(bǔ)償變勵(lì)磁繞組(PV')電勢(shì)大小和方向與調(diào)壓變調(diào)壓繞組(TV)相同,補(bǔ)償繞組(BV)與主體變低壓繞組(LV)正向串聯(lián),電勢(shì)方向相同,低壓側(cè)電勢(shì)Eax=ELV+EBV;調(diào)壓變勵(lì)磁繞組(PV)電勢(shì)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(shí)現(xiàn)中壓側(cè)電壓調(diào)高的調(diào)節(jié);同時(shí)ETV正向分壓使EPV'大小增加,EBV隨之增加,從而補(bǔ)償由于ELV減小而導(dǎo)致低壓側(cè)Eax的變化,實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)補(bǔ)償功能(Eax=ELV+EBV)。

        圖6 分接開關(guān)分接頭為6、7、8、9檔時(shí)繞組電勢(shì)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(shí),繞組電勢(shì)圖見圖6。此時(shí),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(shì)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(shì)方向相反,高壓側(cè)電勢(shì)大小EAX=EHV+EMV-ETV,中壓側(cè)電勢(shì)大小EAmX=EMV-ETV;補(bǔ)償變勵(lì)磁繞組(PV')電勢(shì)大小和方向與調(diào)壓變調(diào)壓繞組(TV)相同(此時(shí)與分接頭在1、2、3、4檔時(shí)的電勢(shì)方向是相反的),補(bǔ)償繞組(BV)與主體變低壓繞組(LV)正向串聯(lián),電勢(shì)方向相反,低壓側(cè)電勢(shì)大小為Eax=ELV-EBV;調(diào)壓變勵(lì)磁繞組(PV)電勢(shì)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(shí)現(xiàn)中壓側(cè)電壓調(diào)低的調(diào)節(jié);同時(shí)ETV反向分壓使EPV'反向增加,EBV隨之反向增加,從而補(bǔ)償由于ELV增加而導(dǎo)致低壓側(cè)Eax的變化,實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)補(bǔ)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(dú)立外置調(diào)壓變方式,即變壓器本體與調(diào)壓補(bǔ)償變分箱布置,現(xiàn)場(chǎng)通過外接引線把變壓器本體與調(diào)壓補(bǔ)償變連接起來使用。

        1 000 kV變壓器采取了中性點(diǎn)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(yùn)行所不允許的,通過實(shí)例,為了控制這種變化,補(bǔ)償繞組來補(bǔ)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(diǎn)調(diào)壓及補(bǔ)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(duì)設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行、檢修起到一定的參考價(jià)值。

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