特高壓自耦變壓器關鍵技術研究

張立國，李其瑩，柴孟東，楊禹太，盧 媛

（1.山東電力設備有限公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200）

·特高壓技術·

特高壓自耦變壓器關鍵技術研究

張立國1，李其瑩2，柴孟東1，楊禹太3，盧 媛3

（1.山東電力設備有限公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200）

超特高壓變壓器在現代電力輸送中發揮至關重要的作用，隨著超特高壓電網技術的日漸成熟，變壓器趨向于高電壓、大容量。介紹特高壓自耦變壓器關鍵技術，分析1 000 MVA特高壓自耦變壓器結構特點、主絕緣、波過程、漏磁場、運輸方案、抗地震能力并提出解決方案，通過相關試驗驗證了所用結構的合理性和可靠性。

特高壓；自耦變壓器；1 000 MVA；兩柱結構

Abstract:The ultra-high voltage （UHV）transformer plays a crucial role in the modern power transmission system.With gradually improvement of the UHV power grid technology，the transformers with high voltage and large capacity are more and more popular.In this article，the key technology of UHV autotransformer is introduced.The analysis to the characteristic of the physical structure，main insulation，wave process，leakage flux，transportation and anti-earthquake ability of a 1 000 MVA UHV autotransformer is discussed.The solutions to the identified problems are presented which are verified by tests based on the proposed structure.

Key words:UHV；autotransformer；1 000 MVA；two limb structure

0 引言

目前，1 000 kV交流特高壓輸變電工程所用主變壓器電壓等級均為1000kV，單相容量為1000MVA，總體結構為主體變壓器與調壓補償變壓器兩部分。不同廠家的主體變壓器結構也不相同，有三主柱方案，也有雙主柱方案。根據國家電網公司“十二五”電網發展規劃對特高壓變壓器的需求，山東電力設備有限公司從2011年開始研制電網用特高壓自耦變壓器，并先后開發設計了三主柱方案和雙主柱方案。2012年1月，研制的型號為ODFPS-1000000／1000的特高壓自耦變壓器樣機順利通過全部出廠試驗和型式試驗項目。該產品為單相無勵磁調壓自耦電力變壓器，單相容量1 000 MVA，高壓額定相電壓為1 050 kV，采用兩主柱并聯結構，每柱容量500 MVA，是目前國內外電壓等級最高、單柱容量最大的電力變壓器。由于產品電壓等級高、容量大、重量重，因此在電場、磁場、溫升、抗短路能力、產品運輸等方面有很多新問題需要進行技術研究。

1 變壓器技術方案

1.1 主要技術規范及接線原理

主要技術規范

型 號：ODFPS－1000000／1000

額定容量：1000／1000／334 MVA

額定電壓：（1 050／）／（525／±4×1.25%）／110 kV

額定電流：1649.6／3299.1／3036.3 A

頻 率：50 Hz

相 數：單相

聯結組標號：Ia0i0（三相YNa0d11）

短路阻抗：HV-MV 18%±5%；HV-LV 62%±5%；MV-LV 40%±5%

冷卻方式：OFAF（主體變）／ONAN（調壓變）

絕緣水平：h.v.線路端子 SI／LI／LIC／AC 1 800／2 250 ／2 400 ／1 100 kV

m.v.線路端子 SI／LI／LIC／AC 1 175／1 550 ／1 675／630 kV

h.v.／m.v.中性點端子 LI／AC 325／170 kV

l.v.線路端子 LI／LIC／AC 650／750／275 kV

產品包括主體變壓器及調壓補償變壓器兩部分，電氣接線原理如圖1所示。

圖1 1 000 MVA特高壓自耦變壓器接線原理

圖中 A、Am、AO、a、x 分別為高壓首端、中壓首端、中性點、低壓首端、低壓尾端。主體變壓器采用兩主柱并聯結構，調壓補償變壓器內有調壓變壓器和低壓電壓補償器。主體變壓器與調壓補償變壓器通過母線進行連接，兩者組合后可以作為一臺完整的變壓器使用，也可以將主體變壓器單獨使用。整體結構如圖2所示。

圖2 1 000 MVA特高壓自耦變壓器整體結構

1.2 結構特點

由于變壓器電壓等級高、容量大，為滿足運輸條件及為將來研制單相三柱1 500 MVA自耦變壓器做準備，采用兩主柱繞組并聯結構，每柱1／2容量即單柱容量500 MVA。

變壓器為中性點變磁通調壓，分為主體變壓器和調壓補償變壓器兩部分。調壓補償變壓器與主體變壓器通過母線進行連接。主體變壓器采用單相三框四柱式鐵芯，兩主柱并聯的結構方案，兩芯柱套線圈，高、中、低壓繞組全部并聯。調壓補償變壓器內有調壓變壓器和低壓電壓補償器，兩個器身共用一個油箱。調壓變壓器由調壓繞組和調壓勵磁繞組構成；補償變壓器由補償繞組和補償勵磁繞組構成。

自耦變壓器中性點調壓要保證高壓首端電壓不變，在匝數改變的情況下，只能通過變磁通調壓實現。當磁通改變時，為保證低壓電壓變化不超過±1%，需對低壓電壓進行補償。由圖1可知，調壓變壓器通過主體變壓器的低壓繞組勵磁，調壓勵磁繞組電壓等于主體變壓器低壓繞組電壓；補償變壓器通過調壓變壓器的調壓繞組勵磁，補償變壓器的勵磁繞組電壓等于調壓繞組電壓；補償繞組與主體變壓器的低壓繞組串聯后的電壓即為最終的低壓繞組的電壓［1］。

1.3 主絕緣結構及驗證

圖3 中壓與高壓間上端部電場分布

主體變壓器主絕緣采用“薄紙筒，小油隙”結構，對主體變壓器的主絕緣結構建立絕緣模型，利用VEI的MI軟件以及ElecNet軟件進行主絕緣仿真驗證，依據結構特點將主絕緣模型劃分為多個區域，根據各區域分析結果調整結構，圖3為高壓線圈與中壓線圈間上端部電場分布圖，圖4為高壓線圈上端部電場裕度分布圖，從圖中可以看出，高壓線圈上端靜電環與角環間第一油隙處為絕緣裕度最薄弱位置，其安全裕度值為1.11，大于1.10，主絕緣結構可靠［2］。

圖4 高壓上端部電場裕度分布

此外，根據中性點絕緣水平由185 kV提高至200 kV的情況，針對中壓尾頭、補償勵磁線圈出頭及引線對周圍夾件、油箱等部位的電場分布也進行了重點分析及安全裕度比較，各位置的安全裕度值也均大于1.10。

1.4 縱絕緣結構及驗證

750 kV電壓及以下等級的自耦變壓器一般均采用串聯繞組末端或公共繞組首端調壓，1 000 kV自耦變壓器若采用公共繞組首端調壓，500 kV分接開關制作困難，成本高，同時分接線電壓等級高，絕緣結構復雜，造成變壓器體積更大，可靠性也不高，因此采用分接開關絕緣水平較低的中性點調壓。

利用VEI的TT軟件以及SOLOS軟件對變壓器進行波過程仿真驗證，同時針對單獨調壓、補償的特點也做了重點分析。根據分析結果確定了可靠的縱絕緣結構。高壓繞組采用糾結內屏連續式結構，調整縱向電容，改善繞組沖擊分布；繞組端部加靜電板，并優化電極形狀，改善了端部電場分布，減小了繞組沖擊梯度，使電位分布均勻，提高了絕緣性能。高壓首端入波時繞組節點電壓及油道梯度如圖5及圖6所示，從圖中可以看出，高壓首端入波時繞組各位置絕緣裕度均足夠［3］。

1.5 漏磁分析及防止局部過熱措施

變壓器每柱容量500 MVA，是目前國內外單柱容量最大的電力變壓器。一般來說，變壓器的容量越大，漏磁場就越強，在夾件、拉板、油箱等非鐵磁材料的鋼構件中產生的渦流損耗越大。若設計不當，很容易在渦流損耗集中部位產生局部過熱，影響變壓器性能。

圖5 高壓首端入波高壓繞組節點電壓圖

圖6 高壓首端入波高壓繞組油道梯度圖

利用大型電磁場分析軟件對變壓器進行三維漏磁場分析，根據分析結果，通過合理設計夾件及油箱屏蔽結構，在拉板和末級疊片上開槽，根據不同的漏磁區域選擇金屬結構件的材質等措施，有效降低了漏磁在結構件中產生的渦流損耗，避免了局部過熱的發生。三維計算分析模型如圖7所示，圖8～10分別為油箱、拉板、夾件的損耗密度分布云圖，各圖中的深淺顏色表明漏磁場由強到弱的變化分布規律。通過各主要漏磁區域的軟件分析，得出變壓器不會因漏磁產生局部過熱，試驗結果也證明分析結論正確。

1.6 運輸方案分析

考慮變壓器外形尺寸，只能采用抬轎式運輸方式，為確保運輸過程安全，用Ansys有限元分析軟件對運輸支架在靜止狀態、水平以及垂直方向3g加速度下的狀態進行計算。根據零件圖紙建立油箱部分的零件精確模型，器身采用簡易模型以便簡化計算量和提高計算速度。運輸模型如圖11所示。

圖7 變壓器三維計算模型

圖8 油箱損耗密度分布云圖

圖9 拉板損耗密度分布云圖

圖10 夾件損耗密度分布云圖

圖11 運輸模型

計算結果如表1所示。

表1 運輸支架計算結果

油箱支架的等效應力如圖12所示，從計算結果可以看出，無論是在水平還是垂直3g加速度力的作用下，運輸支架的應力均小于材料的屈服強度345 MPa，且留有充足的安全裕度，所以采用此種運輸方式下，運輸肩座可以滿足運輸時的強度要求。

1.7 抗地震能力研究

對于高地震烈度地區的變電站，當變壓器等設備及其附件本身難以滿足抗震要求時，應通過減震和隔震設計滿足要求，目前采取的是在變壓器下方加隔震裝置的設計方案。表2為近期幾個不同特高壓變電站的基本抗震參數要求。

表2 不同特高壓變電站抗震參數要求

當變電站所處地區地面水平加速度≤3.00 m／s2時，變壓器本體及套管等外部組件本身可滿足抗震要求，無需加隔震裝置，例如濟南站、泰州站等；當變電站所處地區地面水平加速度＞3.00 m／s2時，因為套管高度尺寸較大，以ABB高壓套管為例，其空氣中高度尺寸約為12 m，裝配在變壓器上的高度尺寸約為18.5 m，容易受地震影響損壞，從特高壓電網的安全運行角度考慮，變壓器下方需加裝隔震裝置，例如晉北站、北京東站、濰坊站等項目。

圖12 油箱支架的等效應力圖

榆橫—濰坊1 000 kV特高壓輸變電工程濰坊站是迄今為止抗震等級最高的特高壓變電站，其抗震要求水平向基本加速度0.486g，垂直向基本加速度0.389g。為滿足抗震要求，中國電力科學研究院、山東設計院、山東電力設備有限公司等多方經過多次計算分析，確定了最終抗震方案。整體布置如圖13所示，從基礎下方到上依次為：條形基礎、隔震器、框架鋼梁、變壓器本體。隔震器下部通過螺栓與基礎上的預埋套筒連接，上部與框架鋼梁通過螺栓連接；框架鋼梁上部與主體變壓器、調壓補償變壓器及儲油柜支架等焊接或用螺栓連接。

圖13 變壓器帶隔震裝置設計

2 結語

近年來，山東電力設備有限公司承擔了多項1 000 kV特高壓交流輸變電工程的變壓器生產制造任務，積累了豐富的變壓器設計、生產經驗。通過多臺變壓器的出廠試驗和已投運電站的順利運行，驗證了設計的可靠性和合理性。結果顯示：該類型變壓器局部放電量小，繞組平均溫升及熱點溫升均優于技術規范要求，具有損耗低、溫升低、噪聲低、抗短路能力強等特點。

該類型變壓器與相同參數的三主柱結構變壓器相比，負載損耗及空載損耗都有較大幅度降低，效率達到99.85%，變壓器的運行成本相應減小；另外原材料消耗及占地面積也大幅降低，因此，在節能環保方面具有更優的性能。該類型變壓器成功研制，驗證了單相1 000 kV／1 500 MVA特高壓變壓器生產制造的可行性，為進一步制造特高壓大容量變壓器奠定了良好的基礎。

［1］謝毓城.電力變壓器手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］邱關源.電路（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［3］路長柏，朱英浩.電力變電器計算［M］.黑龍江：黑龍江科學技術出版社，1986.

Key Technology Research of UHV Autotransformer

ZHANG Liguo1，LI Qiying2，CHAI Mengdong1，YANG Yutai3，LU Yuan3
（1.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3.State Grid Weihai Power Supply Company，Weihai 264200，China）

TM402

A

1007－9904（2017）09－0043－05

2017-06-07

張立國（1972），男，高級工程師，主要從事變壓器及電抗器設計研究及制造工作；李其瑩（1970），男，高級工程師，主要從事電網建設管理工作；柴孟東（1981），男，高級工程師，主要從事變壓器設計研究及制造工作；楊禹太（1982），男，工程師，主要從事電力基建項目施工與管理工作；盧 媛（1981），女，高級工程師，主要從事IT項目管理及信息系統運行維護工作。