特高壓變壓器調壓補償方式分析

張星宇，秘立鵬，孫 睿，安義巖，張小明

（國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010010）

0 引言

我國幅員遼闊，存在能源分布與負荷中心的不一致問題，這就需要可以實現遠距離、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鍵設備，在特高壓工程中發揮著重要作用。特高壓變壓器的質量和體積很大，在設計和制造時考慮到制造成本、運輸、安裝、可靠性等要求，目前國內所有交流特高壓變壓器和特高壓直流站1000 kV和750 kV聯絡變壓器均采用分體布置，分別將主體變壓器和調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壓方式。文獻[1-8]對比分析了特高壓變壓器調壓方法和補償方法，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和數值分析、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系進行對比分析，本文對兩種調壓補償方式變壓器電壓調節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系[3-7]。

1 單相分體自耦變壓器結構特點

目前國內特高壓變壓器均采用調補變壓器與主體變壓器分體結構，如圖1所示。分體結構可分開運輸，降低了運輸成本和難度。在電網運維過程中如調補變壓器故障，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、經濟性、電網運維可靠性考慮，特高壓變壓器采用單相、分體、自耦結構是合理的。

圖1 特高壓變壓器結構

2 特高壓變壓器調壓方式及調壓位置分析

目前特高壓變壓器所采用的調壓方式主要為中性點無載調壓[3-5]。

2.1 調壓方式

變壓器的調壓方式分為有載調壓和無載調壓。無載調壓方式結構簡單、造價低、可靠性高，但必須在停電時切換檔位。有載調壓方式可以實現帶負荷調壓，但結構相對復雜、造價高，設計時需要充分考慮到絕緣和限流等的影響。據統計，有載調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%。因此在滿足設計需求條件下，在電網應用中盡可能選用無載調壓。特高壓電壓等級波動小，供電可靠性要求高，且有下級電網的有載調壓變壓器作為保障。結合系統運行方式，從可靠性和經濟性考慮，特高壓變壓器采用無載調壓更為合理[6]。

2.2 調壓位置

按照調壓位置劃分，自耦變壓器的調壓方式可以分為線端調壓和中性點調壓。

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

中性點調壓方式會造成其他相關電壓和主磁通的變化，也稱為變磁通調壓。當調壓變壓器的分接開關在不同檔位時，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。采用中性點調壓方式調壓時，繞組電壓低、絕緣要求低、制造工藝易實現、整體造價低。

綜合考慮絕緣性能、經濟性、可靠性等要求，特高壓變壓器宜采用中性點調壓。采用中性點調壓時，為降低主體變壓器低壓側電壓變化量，保證主體變壓器運行的穩定性，需對低壓側電壓進行補償，因此會在調壓變壓器中專設一個調補變壓器[5-10]。

3 非完全和完全補償調壓原理分析對比

調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為補償繞組和調壓勵磁繞組共用尾端，圖中實線表示繞組在變壓器內部相連，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和數值分析，因此本文針對完全補償方式進行電氣量參數和數值分析，并和非完全補償結果進行對比。特高壓變壓器完全補償調壓原理如圖4和圖5所示。

圖4 非完全補償調壓原理圖

圖5 完全補償調壓原理圖

矩陣方程（1）和（2）分別為非完全補償調壓和完全補償調壓原理電磁耦合關系：

式中：N為對應繞組匝數；e1、e2、e3分別為HV、TV、LT每匝電動勢；Uh為高壓側系統電壓，為已知量，通常系統的電壓等級越高，電網的電壓波動越小。

中性點調壓方式下，在調壓變壓器中設置了補償繞組，確保低壓側電壓波動能夠滿足要求。根據電路結構、繞組電磁耦合關系得出變壓器高、中、低壓側電壓Uh、Um、Ul為：

式中：f為系統頻率，其值為50 Hz。

中性點調壓方式下，分接檔位的變化會引起主體變壓器、調壓變壓器、補償變壓器的鐵心磁通發生不同程度的變化，同時補償變壓器磁通的變化率要大于主體變壓器和調壓變壓器。以某廠生產的兩種補償方式的特高壓變壓器為例，其中調壓繞組TV有9個分接，各繞組數量如表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電壓Ul和調壓變壓器磁通φ3相對分接檔位在5時的變化率（即沒有接入調壓變壓器）。

表1 兩種補償方式的特高壓變壓器繞組數量 匝

定義變化率y為：

式中：xi為在第i分接頭下低壓側電壓或調壓變壓器磁通，i為分接頭位置。由式（5）分別計算低壓側電壓變化率和調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，在通過調節分接開關位置來調節中壓側電壓時，完全補償方式比非完全補償方式低壓側電壓波動小。

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 結語

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