張星宇，秘立鵬，孫 睿，安義巖，張小明

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特010010）

0 引言

我國幅員遼闊，存在能源分布與負(fù)荷中心的不一致問題，這就需要可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量電力輸送的特高壓工程[1-2]。截至目前，我國已投運16條特高壓工程，還有4條在建工程。特高壓變壓器作為關(guān)鍵設(shè)備，在特高壓工程中發(fā)揮著重要作用。特高壓變壓器的質(zhì)量和體積很大，在設(shè)計和制造時考慮到制造成本、運輸、安裝、可靠性等要求，目前國內(nèi)所有交流特高壓變壓器和特高壓直流站1000 kV和750 kV聯(lián)絡(luò)變壓器均采用分體布置，分別將主體變壓器和調(diào)補變壓器作為兩個獨立部分[1]。

已有多篇文獻分析了特高壓變壓器的調(diào)壓方式。文獻[1-8]對比分析了特高壓變壓器調(diào)壓方法和補償方法，介紹了特高壓變壓器采用的完全補償和非完全補償兩種方式。文獻[6-17]針對非完全補償或特定繞組進行電氣量參數(shù)和數(shù)值分析、計算和仿真。但以上研究均未對特高壓變壓器補償方式基于電磁關(guān)系進行對比分析，本文對兩種調(diào)壓補償方式變壓器電壓調(diào)節(jié)的差別進行了分析比較，同時給出了特高壓變壓器采用完全補償方法的變壓器各個繞組的電磁關(guān)系[3-7]。

1 單相分體自耦變壓器結(jié)構(gòu)特點

目前國內(nèi)特高壓變壓器均采用調(diào)補變壓器與主體變壓器分體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。分體結(jié)構(gòu)可分開運輸，降低了運輸成本和難度。在電網(wǎng)運維過程中如調(diào)補變壓器故障，可將主體變壓器分離，保證了主體變壓器運行的可靠性和安全性。自耦變壓器具有用材少、損耗小、質(zhì)量和體積小的特點，降低了造價成本、運輸成本和運輸難度[3]。因此，從工程可行性、經(jīng)濟性、電網(wǎng)運維可靠性考慮，特高壓變壓器采用單相、分體、自耦結(jié)構(gòu)是合理的。

圖1 特高壓變壓器結(jié)構(gòu)

2 特高壓變壓器調(diào)壓方式及調(diào)壓位置分析

目前特高壓變壓器所采用的調(diào)壓方式主要為中性點無載調(diào)壓[3-5]。

2.1 調(diào)壓方式

變壓器的調(diào)壓方式分為有載調(diào)壓和無載調(diào)壓。無載調(diào)壓方式結(jié)構(gòu)簡單、造價低、可靠性高，但必須在停電時切換檔位。有載調(diào)壓方式可以實現(xiàn)帶負(fù)荷調(diào)壓，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、造價高，設(shè)計時需要充分考慮到絕緣和限流等的影響。據(jù)統(tǒng)計，有載調(diào)壓變壓器的故障率占總變壓器故障率的80%，而自身的故障率約占40%。因此在滿足設(shè)計需求條件下，在電網(wǎng)應(yīng)用中盡可能選用無載調(diào)壓。特高壓電壓等級波動小，供電可靠性要求高，且有下級電網(wǎng)的有載調(diào)壓變壓器作為保障。結(jié)合系統(tǒng)運行方式，從可靠性和經(jīng)濟性考慮，特高壓變壓器采用無載調(diào)壓更為合理[6]。

2.2 調(diào)壓位置

按照調(diào)壓位置劃分，自耦變壓器的調(diào)壓方式可以分為線端調(diào)壓和中性點調(diào)壓。

線端調(diào)壓一般在中壓側(cè)，調(diào)壓時每匝繞組電壓不變，因此繞組鐵心磁通為恒定，也稱恒磁通調(diào)壓。調(diào)壓時低壓側(cè)電壓受影響較小，中壓側(cè)額定電流大，因此繞組引線粗和高場強區(qū)域大。采用線端調(diào)壓時，絕緣處理難度大，中壓側(cè)線端往往是絕緣設(shè)計的薄弱點[7]。

中性點調(diào)壓方式會造成其他相關(guān)電壓和主磁通的變化，也稱為變磁通調(diào)壓。當(dāng)調(diào)壓變壓器的分接開關(guān)在不同檔位時，不僅中壓繞組線端的電壓、電流會改變，低壓繞組的電壓、電流也會改變。采用中性點調(diào)壓方式調(diào)壓時，繞組電壓低、絕緣要求低、制造工藝易實現(xiàn)、整體造價低。

綜合考慮絕緣性能、經(jīng)濟性、可靠性等要求，特高壓變壓器宜采用中性點調(diào)壓。采用中性點調(diào)壓時，為降低主體變壓器低壓側(cè)電壓變化量，保證主體變壓器運行的穩(wěn)定性，需對低壓側(cè)電壓進行補償，因此會在調(diào)壓變壓器中專設(shè)一個調(diào)補變壓器[5-10]。

3 非完全和完全補償調(diào)壓原理分析對比

調(diào)壓變壓器的勵磁電源有完全補償和非完全補償兩種方式，兩種補償繞組連接圖見圖2、圖3。

圖2 非完全補償繞組連接圖

圖3 完全補償繞組連接圖

需注意的是，圖2中x為補償繞組尾端，調(diào)壓勵磁繞組尾端與補償繞組首端、低壓繞組尾端相連；圖3完全補償繞組連接圖中，x為補償繞組和調(diào)壓勵磁繞組共用尾端，圖中實線表示繞組在變壓器內(nèi)部相連，虛線表示需要通過外部引線相連。

引言中提到的多篇論文已針對非完全補償方式進行了電氣量參數(shù)和數(shù)值分析，因此本文針對完全補償方式進行電氣量參數(shù)和數(shù)值分析，并和非完全補償結(jié)果進行對比。特高壓變壓器完全補償調(diào)壓原理如圖4和圖5所示。

圖4 非完全補償調(diào)壓原理圖

圖5 完全補償調(diào)壓原理圖

矩陣方程（1）和（2）分別為非完全補償調(diào)壓和完全補償調(diào)壓原理電磁耦合關(guān)系：

式中：N為對應(yīng)繞組匝數(shù)；e1、e2、e3分別為HV、TV、LT每匝電動勢；Uh為高壓側(cè)系統(tǒng)電壓，為已知量，通常系統(tǒng)的電壓等級越高，電網(wǎng)的電壓波動越小。

中性點調(diào)壓方式下，在調(diào)壓變壓器中設(shè)置了補償繞組，確保低壓側(cè)電壓波動能夠滿足要求。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)、繞組電磁耦合關(guān)系得出變壓器高、中、低壓側(cè)電壓Uh、Um、Ul為：

式中：f為系統(tǒng)頻率，其值為50 Hz。

中性點調(diào)壓方式下，分接檔位的變化會引起主體變壓器、調(diào)壓變壓器、補償變壓器的鐵心磁通發(fā)生不同程度的變化，同時補償變壓器磁通的變化率要大于主體變壓器和調(diào)壓變壓器。以某廠生產(chǎn)的兩種補償方式的特高壓變壓器為例，其中調(diào)壓繞組TV有9個分接，各繞組數(shù)量如表1所示。比較和分析兩種補償方式下不同分接時主體變壓器低壓側(cè)電壓Ul和調(diào)壓變壓器磁通φ3相對分接檔位在5時的變化率（即沒有接入調(diào)壓變壓器）。

表1 兩種補償方式的特高壓變壓器繞組數(shù)量 匝

定義變化率y為：

式中：xi為在第i分接頭下低壓側(cè)電壓或調(diào)壓變壓器磁通，i為分接頭位置。由式（5）分別計算低壓側(cè)電壓變化率和調(diào)壓變壓器磁通變化率，變化趨勢如表2和圖6、圖7所示。從圖中可以看出，在通過調(diào)節(jié)分接開關(guān)位置來調(diào)節(jié)中壓側(cè)電壓時，完全補償方式比非完全補償方式低壓側(cè)電壓波動小。

圖6 兩種補償方式的特高壓變壓器磁通變化率

圖7 兩種補償方式的特高壓變壓器電壓變化率

表2 不同補償方式下磁通、電壓變化率 %

4 結(jié)語

從絕緣要求、工程可行性、經(jīng)濟性、電網(wǎng)運維可靠性考慮，特高壓變壓器采用單相、分體、自耦結(jié)構(gòu)更為合理。雖然采用中性點調(diào)壓方式會造成低壓側(cè)電壓的變化，但綜合考慮絕緣要求、經(jīng)濟性、可靠性等要求，特高壓變壓器宜采用中性點調(diào)壓，通過補償繞組補償可滿足調(diào)壓要求。兩種補償方式中，完全補償方式相比非完全補償方式調(diào)壓效果好，低壓側(cè)電壓變化小。