1 000 kV特高壓泉城站主變壓器特點解析

劉希峰，安 濱，陳彬彬，喬 木

（國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118）

1 000 kV特高壓泉城站主變壓器特點解析

劉希峰，安 濱，陳彬彬，喬 木

（國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118）

針對特高壓變壓器電壓等級高，線端調壓很難實現的問題，詳細說明特高壓變壓器采用中性點無勵磁調壓方式的合理性。結合1 000 kV特高壓泉城站兩種不同芯柱結構的主變壓器，重點對調壓方式和調壓補償變差動保護的差異進行分析，對今后特高壓變壓器的安裝調試、運行維護工作具有重要參考意義。

特高壓變壓器；中性點調壓；調壓方式；差動保護

0 引言

由于我國資源分布極不均衡，火電容量主要集中在山西、內蒙古、陜西等省份，水電容量主要集中在云南、貴州等省份，發展遠距離、大容量的特高壓電網可以將西南的富裕水電和西部地區的富裕火電東送和南送，實現跨流域調節和水火電互濟，對于調整目前的能源結構具有重要意義。在特高壓電網當中，特高壓變壓器對于電網的安全穩定運行意義重大。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計生產。這兩家變壓器廠生產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構，每柱容量為334 MVA，另一種主體變采用的是兩芯柱結構，每柱容量為500 MVA。對特高壓泉城站這兩種不同芯柱變壓器的結構、調壓方式以及調壓補償變差動保護特性等方面進行分析，為今后特高壓變壓器的運維和檢修工作提供參考。

1 特高壓變壓器調壓方式

1.1 特高壓變壓器采用單相自耦方式

目前單臺特高壓變壓器容量已經達到1 000 MVA，工頻耐受電壓達到1 100 kV，大容量和高絕緣的特點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構，如此大的體積給變壓器的運輸工作帶來很多問題，采用單相自耦變壓器設計方法可以有效減小變壓器體積，方便變壓器的運輸，同時還可以大大節約成本。采用單相自耦變壓器也可以設置備用相，當一相主變發生故障時，可以立即啟用備用變，恢復電網的運行。蘇聯、日本、意大利等國家都采用單相自耦變壓器結構［1-3］制造過特高壓主變，可知采用單相自耦變壓器結構適用于1 000 kV特高壓變壓器。

1.2 特高壓變壓器采用無勵磁調壓方式

變壓器的調壓方式分為有載調壓和無勵磁調壓兩種，有載調壓方式具有操作簡單、電壓穩定的優點，但是自身結構復雜、可靠性低，根據有關資料統計，有載調壓變壓器故障率約是無載調壓變壓器的4倍［4-6］。同時有載調壓開關的操縱結構、滅弧部分等都很容易發生故障。

我國電網中運行的500 kV變壓器采用載調壓和無勵磁調壓兩種方式，750 kV變壓器均采用無勵磁調壓方式。電壓等級越高，電壓波動范圍越小，采用無勵磁調壓方式完全可以滿足電網運行方式對電壓調整的要求。因此，1 000 kV特高壓變壓器應采用無勵磁調壓方式。

1.3 特高壓變壓器采用中性點調壓方式

變壓器的調壓方式可以分為線端調壓和中性點調壓兩種。線端調壓通常指在中壓側進行調壓，為恒磁通調壓。中性點調壓方式指通過中性點進行調壓，為變磁通調壓。

目前500 kV、750 kV變壓器均采用中壓側線端調壓，這種調壓方式為恒磁通調壓，在中壓側線端調壓時低壓側電壓基本不受影響。此種調壓方式雖然簡單可靠，但是中壓側額定電流大、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高，中壓側電壓為525 kV，如果繼續采用恒磁通調壓方式，對于調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壓方式。如果采用變磁通調壓方式，可以有效降低調壓裝置上的電壓，絕緣處理要求也低，分接開關制造簡單，因此，1 000 kV特高壓變壓器應采用中性點調壓方式。

綜上所述，特高壓變壓器的調壓方式為中性點無勵磁調壓方式，為了便于運輸和簡化結構，同時提高特高壓變壓器運行穩定性，特高壓變壓器采用的是自耦變壓器（主體變壓器）和調壓補償變壓器分箱布置，分別放在兩個油箱中，自耦變壓器和調壓補償變壓器通過管母連接，當調壓補償變壓器出現故障時，自耦變壓器可以單獨運行，方便檢修和更換。

2 泉城站特高壓變壓器內部結構

2.1 芯柱結構

三芯柱結構特高壓變壓器：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，每柱1／3容量，即每柱容量334 MVA。從內向外分別為低壓繞組、中壓繞組和高壓繞組；調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，從內向外為調壓勵磁繞組、調壓繞組；補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，由內向外為補償勵磁繞組、補償繞組。

調壓變與補償變用一個油箱，調壓補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

兩芯柱結構特高壓變壓器。主體變鐵芯采用單相四柱式結構，即兩主柱帶兩旁柱，如圖4所示，兩主柱各相繞組并聯，每柱1／2容量，即每柱容量500 MVA。調壓變鐵芯采用口子式，兩柱上都套有繞組，兩柱采用并聯結構。補償變鐵芯與三芯柱結構相同。

2.2 內部繞組接線原理

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

圖4 單相四柱式鐵芯

圖5 特高壓變壓器內部繞組接線原理

2.3 兩種不同芯柱結構變壓器結構比較

在特高壓交流變電站當中，三芯柱結構的特高壓變壓器最早得到應用，與兩芯柱結構的特高壓變壓器相比，三芯柱結構應用更加成熟可靠。況且兩芯柱結構中單芯柱容量達到了500 MVA，如此大的容量造成鐵芯高度勢必增加，變壓器的高度相應地也會增加，這就給變壓器的運輸帶來了一定困難。但是，兩芯柱結構變壓器繞組匝數相比于三芯柱結構變壓器來說減少明顯，大大降低了成本，同時由于兩芯柱結構變壓器勵磁涌流小、匝數少、雜散損耗低，相比于三芯柱結構來說，調壓時電壓波動小，電壓補償更為精確。

3 泉城站特高壓變壓器調壓原理

3.1 電磁耦合矩陣方程

由圖5可以得到7個繞組的電磁關系：串聯繞組、公共繞組和低壓繞組之間有電磁聯系，它們每匝線圈的感應電動勢相同；調壓勵磁繞組和調壓繞組之間有電磁耦合，每匝線圈感應電動勢相同；補償勵磁繞組和補償繞組之間有電磁耦合，每匝線圈感應電動勢相同，通過以上分析可以得出

式中：e1、e2、e3分別是串聯繞組、調壓勵磁繞組、補償勵磁繞組中每匝電勢；U為中壓側電壓（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、低側相電壓Uh、Ul。

SV、TV、EV中的磁通為

式中：f為系統頻率。

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

3.2 兩種芯柱結構特高壓主變調壓原理

三芯柱特高壓變壓器繞組匝數：

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：

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。

當調壓變處于第一檔位時，中壓側電壓為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。

高壓側相電壓

Uh=854×2×338.4+180×161.6=607 075.2（V）

高壓側線電壓

U′h=607 075.2×1.732=1 051.4×103（V）

低壓側電壓未補償前為

Ul=310×338.4=104.9×103（V）

電壓偏差為

110-104.9=5.1（kV）

補償后低壓側電壓為

U′l=310×338.4+86×63.3=110.3×103（V）

電壓偏差變為

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。

高壓側相電壓為

Uh=678×2×425.7+204×141.9=606 196.8（V）

高壓側線電壓為

U′h=606 196.8×1.732=1 049.9×103（V）

低壓側電壓未補償前為

UL=246×425.7=104.7×103（V）

電壓偏差為

110-104.7=5.3（kV）

補償后低壓側電壓為

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。

當調壓變處于第九檔位時，中壓側電壓為498 kV，根據上述計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

當中壓側電壓變化較大時，可以看出高壓側電壓基本保持相等，因此當兩臺主變并列運行的時候，系統內也不會產生較大環流，不同電壓檔位下，兩種芯柱特高壓主變高壓側、低壓側的電壓如表1所示。

表1 兩種芯柱結構特高壓主變電壓比較

從表1的數據可知，兩種芯柱結構的特高壓主變都能夠滿足中壓側調壓的過程中，高壓側電壓基本不變，低壓側電壓變化不超過±0.2 kV的要求。相比三芯柱特高壓主變，兩芯柱特高壓主變在調壓過程中低壓側電壓波動更小，補償電壓更為準確，與之前的分析一致。

4 泉城站調壓補償變壓器差動保護

為了保證調壓變和補償變匝間絕緣的靈敏度，調壓變和補償變都需要配置電流差動保護，與以往特高壓主變相比，泉城站特高壓變壓器調壓補償變電流差動保護有所改進，以往特高壓變壓器調壓補償變差動保護接線如圖6所示，泉城站特高壓變壓器調壓補償變壓器差動保護接線如圖7所示。

圖6 原調壓補償變的差動保護接線

從圖6、圖7中可以看出，在調壓變差動保護方面，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，調壓繞組電流ITA6以及補償變電流ITA7。當調壓變調壓分接頭在1～4檔時，加在調壓繞組上的電壓為正，電流為正方向，如果規定以流進調壓變的電流方向為正，可以得到ITA7=ITA5+ITA6，調壓變差動保護所需電流ID=ITA7-ITA6-ITA5。當調壓變調壓分接頭在6～9檔時，加在調壓繞組上的電壓為負，電流為負方向，可以得到ITA7=（-ITA5）+（-ITA6）， 調壓變差動保護所需電流 ID=ITA7+ ITA6+ITA5。

圖7 泉城站調壓補償變的差動保護接線

泉城站特高壓變壓器與以往的特高壓變壓器在補償變差動保護方面所取的電流是不同的。以往特高壓變壓器補償變差動保護所取的電流為低壓繞組電流 ITA4、補償繞組電流 ITA6、調壓繞組電流 ITA7。如果規定流進補償變方向為正，可以得到ITA6=（-ITA4）+（-ITA7），補償變差動保護所取電流為 ID=ITA6+ITA4+ ITA7。泉城站特高壓變壓器補償變差動保護所取的電流為低壓繞組電流和調壓繞組電流之和ITA4、補償繞組電流ITA6，可以得到ITA6=-ITA4，補償變差動保護所取電流ID=ITA6+ITA4。

通過以上分析可知，泉城站特高壓變壓器在調壓變保護方面與以往的特高壓變壓器沒有區別，在補償變保護方面泉城站特高壓變壓器有所改進，補償變保護不取調壓繞組電流ITA7，使其電流差動保護邏輯更為簡單，保護動作更加靈敏可靠。

5 結語

通過對1 000 kV特高壓主變調壓原理的介紹以及對泉城站兩種不同芯柱結構特高壓變壓器差異的分析，為泉城站投運后特高壓主變的運行維護工作提供參考。

［1］郭慧浩，付錫年.特高壓變壓器調壓方式的探討［J］.高電壓技術，2006，32（12）：112-114.

［2］原敏宏，李忠全，田慶.特高壓變壓器調壓方式分析［J］.水電能源科學，2008，26（4）：172-174.

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［4］田秋松，張勁光，張健毅，等.兩種不同芯柱特高壓變壓器的差異分析［J］.河南電力，2013（1）：1-4.

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［6］葉嚴軍，崔淑芳.交流特高壓變壓器特點淺析［J］.河南電力，2013（1）：5-8.

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，從事電力安全生產管理工作；

安 濱（1990），男，主要從事特高壓運檢工作；

陳彬彬（1981），男，工程師，主要從事特高壓運檢工作；

喬 木（1990），男，從事特高壓運檢工作。