一种超高压线端恒磁通调压结构

张晓阳，孙振威，徐天锡

（1.山东电力设备有限公司，济南250022；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255032）

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一种超高压线端恒磁通调压结构

张晓阳1，孙振威1，徐天锡2

（1.山东电力设备有限公司，济南250022；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255032）

通过分析现有自耦电力变压器常用调压结构的限制和弊端，结合目前电网对新型调压结构的需求，提出一种双器身的超高压线端恒磁通调压结构，并分析了实现该结构的关键技术。

自耦电力变压器；超高压线端；双器身

0 引言

自耦变压器与普通电力变压器的区别是一、二次绕组除了有磁的耦合外，还有电的直接联系。正是这一原因，在传输容量相同的条件下，自耦变压器与普通变压器相比，不但体积小、重量轻、造价低，而且效率高。在高压和超高压电力系统中，广泛采用自耦变压器作为联络变压器。而对于大容量变压器，受重量、体积、造价等因素限制，客观上要求必须采用自耦变压器。

自耦电力变压器相比于独立绕组变压器，也有其明显的缺点，其中调压困难就是突出的问题之一，调压结构设计是自耦变压器尤其是超高压自耦变压器设计首要解决的一个问题。

1 自耦变压器常用调压结构

自耦电力变压器常用的调压结构有多种分类方法，可根据调压部分所处的位置简单分为3类：串联绕组末端调压、公共绕组首段调压和中性点调压，其中前两种调压方式为线端调压。

1.1 线端调压

线端调压包括高压侧调压和中压侧调压。高压侧调压一般将调压位置置于串联绕组末端，原理如图1；中压侧调压一般将调压位置置于公共绕组首端，原理如图2。

图1 串联绕组末端调压原理

图2 公共绕组首端调压原理

线端调压为恒磁通调压，铁芯内磁通不变，低压侧电压也不波动，这也是该调压结构一个明显优点。但在该调压结构中，调压绕组所处的位置，决定了调压开关、调压绕组以及调压引线均处在公共绕组线端的高电场中，给绝缘设计带来困难，限制了该调压结构的应用。

采用线端调压结构的自耦变压器在设计时调压开关的选择是个无法避免的难题，甚至因无法选到合适的开关而不能采用。该结构中，开关的绝缘水平取决于公共绕组线端的绝缘水平，公共绕组线端绝缘水平越高，则分接开关制造难度与价格越高。然而对于调压开关制造厂家而言，受限于技术水平、尺寸限制、实用性等因素，其能制造的调压开关的绝缘水平是有上限的。目前已知的开关产品中，绝缘水平最高为362 kV等级。因此当公共绕组的绝缘水平在362 kV以上时，由于开关制造能力的限制，采用常规线端调压结构是无法实现的。

1.2 中性点调压

当公共绕组的电压较高，超出了现有开关的制造能力，无法采用上述常规线端调压结构时，目前的做法通常是将调压位置挪至中性点的位置，即采用中性点调压结构，其调压原理如图3所示。

图3 中性点调压原理

中性点调压属于变磁通调压，在该调压结构中，调压绕组所处的位置，决定了调压开关的绝缘水平取决于中性点的绝缘水平。对于分级绝缘变压器，中性点绝缘水平低于线端的绝缘水平，因此该调压方式可以采用较为经济的低绝缘水平的调压开关，调压绕组和调压引线的绝缘要求也相应降低，这也是该调压方式最大的优点。

但是中性点调压由于铁芯中磁通是变化的，铁芯容易出现过励磁和欠励磁，铁芯过励磁会导致变压器空载电流上升，空载损耗增加。同时由于穿过第三绕组的磁通变化，会带来第三绕组电压的波动。电网中自耦变压器的第三绕组有时作为工作绕组，对这种电压波动是需要严格限制的。因此中性点调压结构有时是不能直接应用的，而是需要增加相应的补偿变来保证第三绕组电压的稳定，带第三绕组补偿的中性点调压原理如图4所示。

图4 带第三绕组补偿的中性点调压原理

我国的特高压自耦变压器，中压达到了500 kV，超出了现有的调压开关制造能力，因此采用的就是如图4所示的带第三绕组补偿的中性点调压结构，此类变压器包括3部分：主体变压器、调压变压器、补偿变压器，而调压变压器与补偿变压器一般置于另一单独的油箱。该结构无疑将增加变压器的设计难度和制造成本，并增加损耗和占地面积，降低变压器的经济性。

2 超高压线端调压的需求分析

如前文所述，对于公共绕组达到超高压等级水平的自耦变压器，传统的线端调压结构由于开关制造能力限制无法适用，而中性点调压包括带第三绕组补偿的中性点调压也有明显的弊端，因此需要设计一种新的超高压线端调压方式来满足公共绕组达到超高压等级的自耦变压器设计需求。

我国多种超高压电压等级电网并存现象和潜在联网需求对公共绕组达到超高压电压等级的自耦变压器提出了需求。目前我国超高压骨架电网存在500 kV与750 kV两种等级并存的现象，750 kV电网主要分布在西北电网，其他地区均采用500 kV电网。随着经济的不断发展，电网的规模逐步扩大，要求电网间功率交换的情况是越来越广泛，这就需要将不同省份间的区域电网联系在一起，形成更为强大的电网。若今后西北电网与其他电网联网，届时将需要大量的750 kV超高压自耦变压器作为联络变压器，该联络变压器的中压电压可达到500 kV的超高压电压等级。

我国的特高压自耦变压器，其中压线端电压目前均采用500 kV等级，从长远的发展考虑，今后如果特高压电网与西北网联网，届时特高压自耦变压器作为联络变压器其中压可能达到750 kV等级。

在国外某些国家同样存在两种超高压电网并存的情况，如在埃塞俄比亚就存在500 kV及400 kV两个等级的超高压电网，随着该国的经济发展，今后势必也将面临两个超高压电网联网的问题，将会对高压500 kV等级、中压400 kV等级联络变压器有一定的需求。

3 超高压线端恒磁通调压

3.1 原理

针对上述自耦电力变压器常用调压结构的限制和弊端，结合目前电网对新型调压结构的需求，提出了一种双器身的超高压线端恒磁通调压结构，调压原理如图5。该结构可将调压开关的绝缘水平控制在较低的范围内，使变压器可以采用串联绕组末端（或公共绕组首端）调压的恒磁通调压结构，并且不需要补偿变压器的设计。

该调压结构为一种双器身的结构。工作时，主变器身的铁芯内磁通是恒定不变的，调变器身的铁芯内磁通是变化的。主变器身中设计一激磁调压线圈（JTV），该线圈独立于串联绕组（HV）与公共绕组（MV）之外，但与串联绕组、公共绕组均套装于主柱铁芯上；串联绕组与公共绕组电势所建立的主柱磁通将在激磁调压绕组产生感应电势，激磁调压绕组与有载调压开关相联，当有载调压开关的档位调节时，主柱磁通将按照设定的调压比例引入调变器身中的调压绕组（TV），调变的磁通数值将随有载调压开关的档位调节而变化。因为有载调压开关的档位与主柱中的绕组相联，而主柱的磁通是恒定的，因此该结构为恒磁通调压结构。

图5 公共绕组线端恒磁通调压原理

调压绕组串联于串联绕组与公共绕组之间，因调压绕组的匝数固定不变，当调变磁通发生变化时，调压绕组的电势随之变化，进而实现调节电压的功能。

另外，激磁调压绕组与激磁绕组所组成的并联回路中的某一点接地，使电位锁定为地电位，同时将激磁调压绕组的各分接档位的电位均限定在较低水平，从而实现利用绝缘水平较低的有载调压开关完成电压调整的目的。

3.2 优点

超高压线端恒磁通调压结构解决了自耦变压器公共绕组达到超高压电压等级时不能采用恒磁通调压的难题，相比其他调压方式具有明显优点。

该结构可以利用绝缘水平降低的调压开关完成电压的调整，降低了变压器分接开关制造难度与造价，使得公共绕组达到超高压电压等级及以上的变压器也可以采用串联绕组末端（或公共绕组首端）调压的恒磁通调压结构。

相比目前采用的中性点变磁通调压，恒磁通调压的方式避免了变磁通调压的弊端，同时不需补偿变压器的设计，简化了变压器的整体结构，降低了变压器设计难度与制造成本，减小了变压器的占地面积，降低了变电站的设计与建造成本。

3.3 超高压线端恒磁通有载调压变压器的设计和制造

以超高压线端恒磁通调压为基本原理，设计制造了模型样机，该产品已按照IEC60076标准要求，顺利通过了相关技术论证和出厂试验，结果满足标准，试验数据与设计值基本一致。模型参数如表1所示。

表1 模型产品参数

表2 变压器短路阻设计与试验数据对比%

双器身结构的超高压有载调压自耦变压器的电磁计算方法及其特有结构的关键部件设计方案是具体变压器设计的关键。

变压器的最终阻抗由两部分组成：主体变阻抗与调压变阻抗，即调压变器身的阻抗应根据线圈组的容量分配按照一定比例进行折算，折算后的调压变阻抗与主体变阻抗相加的合成阻抗才为产品的最终阻抗。

为了保证计算的正确性，采用了不同计算方法相互验证的方式，结合多年的自耦变压器设计经验，对阻抗修正系数进行了确定。

短路阻抗的计算值与试验数据对比如表2所示，可看出试验值与计算值偏差在可接受范围内。

4 结语

所设计的调压结构可以解决两个高于500 kV的超高压电网联接时联络变压器的设计问题，显著降低其制造成本。该结构完全可以推广应用到特高压自耦变压器上，可以简化特高压自耦变压器的结构，降低特高压自耦变压器的制造成本。

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A Constant Flux Voltage Variation Structure on Ultra High Voltage Terminal

ZHANG Xiaoyang1，SUN Zhenwei1，XU Tianxi2
（1.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250022，China；2.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255032，China）

By analyzing the limitation and disadvantages of the common voltage regulating structure of the autotransformer，a constant flux voltage variation（CFVV）structure on the ultra-high voltage terminal of double body transformer is presented combined with the demand of the new voltage regulating structure in the power grid.The key technology to realize the structure is analyzed.

autotransformer；EHV line terminal；double body

TM41

A

1007－9904（2016）11－0073－04

2016-05-31

张晓阳（1974），男，高级工程师，主要从事变压器设计与研发工作。