1 000 kV特高压泉城站主变压器特点解析

刘希峰，安 滨，陈彬彬，乔 木

（国网山东省电力公司检修公司，济南 250118）

1 000 kV特高压泉城站主变压器特点解析

刘希峰，安 滨，陈彬彬，乔 木

（国网山东省电力公司检修公司，济南 250118）

针对特高压变压器电压等级高，线端调压很难实现的问题，详细说明特高压变压器采用中性点无励磁调压方式的合理性。结合1 000 kV特高压泉城站两种不同芯柱结构的主变压器，重点对调压方式和调压补偿变差动保护的差异进行分析，对今后特高压变压器的安装调试、运行维护工作具有重要参考意义。

特高压变压器；中性点调压；调压方式；差动保护

0 引言

由于我国资源分布极不均衡，火电容量主要集中在山西、内蒙古、陕西等省份，水电容量主要集中在云南、贵州等省份，发展远距离、大容量的特高压电网可以将西南的富裕水电和西部地区的富裕火电东送和南送，实现跨流域调节和水火电互济，对于调整目前的能源结构具有重要意义。在特高压电网当中，特高压变压器对于电网的安全稳定运行意义重大。山东省首座1 000 kV特高压变电站（泉城站）的变压器由两家变压器厂设计生产。这两家变压器厂生产的特高压变压器主体变芯柱容量不同，一种主体变采用的是三芯柱结构，每柱容量为334 MVA，另一种主体变采用的是两芯柱结构，每柱容量为500 MVA。对特高压泉城站这两种不同芯柱变压器的结构、调压方式以及调压补偿变差动保护特性等方面进行分析，为今后特高压变压器的运维和检修工作提供参考。

1 特高压变压器调压方式

1.1 特高压变压器采用单相自耦方式

目前单台特高压变压器容量已经达到1 000 MVA，工频耐受电压达到1 100 kV，大容量和高绝缘的特点决定了特高压变压器的体积非常大。如果采用普通的变压器结构，如此大的体积给变压器的运输工作带来很多问题，采用单相自耦变压器设计方法可以有效减小变压器体积，方便变压器的运输，同时还可以大大节约成本。采用单相自耦变压器也可以设置备用相，当一相主变发生故障时，可以立即启用备用变，恢复电网的运行。苏联、日本、意大利等国家都采用单相自耦变压器结构［1-3］制造过特高压主变，可知采用单相自耦变压器结构适用于1 000 kV特高压变压器。

1.2 特高压变压器采用无励磁调压方式

变压器的调压方式分为有载调压和无励磁调压两种，有载调压方式具有操作简单、电压稳定的优点，但是自身结构复杂、可靠性低，根据有关资料统计，有载调压变压器故障率约是无载调压变压器的4倍［4-6］。同时有载调压开关的操纵结构、灭弧部分等都很容易发生故障。

我国电网中运行的500 kV变压器采用载调压和无励磁调压两种方式，750 kV变压器均采用无励磁调压方式。电压等级越高，电压波动范围越小，采用无励磁调压方式完全可以满足电网运行方式对电压调整的要求。因此，1 000 kV特高压变压器应采用无励磁调压方式。

1.3 特高压变压器采用中性点调压方式

变压器的调压方式可以分为线端调压和中性点调压两种。线端调压通常指在中压侧进行调压，为恒磁通调压。中性点调压方式指通过中性点进行调压，为变磁通调压。

目前500 kV、750 kV变压器均采用中压侧线端调压，这种调压方式为恒磁通调压，在中压侧线端调压时低压侧电压基本不受影响。此种调压方式虽然简单可靠，但是中压侧额定电流大、引线粗，尤其是引线绝缘处理难度很大。特高压变压器电压等级高，中压侧电压为525 kV，如果继续采用恒磁通调压方式，对于调压装置的绝缘水平要求太高，其可靠性根本无法保证，所以特高压变压器不宜采用恒磁通调压方式。如果采用变磁通调压方式，可以有效降低调压装置上的电压，绝缘处理要求也低，分接开关制造简单，因此，1 000 kV特高压变压器应采用中性点调压方式。

综上所述，特高压变压器的调压方式为中性点无励磁调压方式，为了便于运输和简化结构，同时提高特高压变压器运行稳定性，特高压变压器采用的是自耦变压器（主体变压器）和调压补偿变压器分箱布置，分别放在两个油箱中，自耦变压器和调压补偿变压器通过管母连接，当调压补偿变压器出现故障时，自耦变压器可以单独运行，方便检修和更换。

2 泉城站特高压变压器内部结构

2.1 芯柱结构

三芯柱结构特高压变压器：主体变铁芯采用单相五柱式，即三主柱带两旁柱，如图1所示。三主柱各相绕组并联，每柱1／3容量，即每柱容量334 MVA。从内向外分别为低压绕组、中压绕组和高压绕组；调压变铁芯采用单框三柱式，即一主柱带两旁柱，如图2所示，主柱上套有绕组，从内向外为调压励磁绕组、调压绕组；补偿变铁芯采用口子式，即一主柱带一旁柱，如图3所示。也是只有主柱上套有绕组，由内向外为补偿励磁绕组、补偿绕组。

调压变与补偿变用一个油箱，调压补偿变与主体变通过架空管母连接。

图1 单相五柱式铁芯

图2 单相三柱式铁芯

图3 口子式铁芯

两芯柱结构特高压变压器。主体变铁芯采用单相四柱式结构，即两主柱带两旁柱，如图4所示，两主柱各相绕组并联，每柱1／2容量，即每柱容量500 MVA。调压变铁芯采用口子式，两柱上都套有绕组，两柱采用并联结构。补偿变铁芯与三芯柱结构相同。

2.2 内部绕组接线原理

泉城站两种不同芯柱结构的特高压变压器在内部绕组接线原理上是一致的，如图5所示。图中SV为串联绕组，CV为公共绕组，LV为低压绕组，TV为调压绕组，EV为调压励磁绕组，LE为补偿励磁绕组，LT为补偿绕组。主体变中有串联绕组、公共绕组和低压绕组，调压补偿变中有调压励磁绕组、调压绕组、补偿励磁绕组和补偿变绕组。其中，调压励磁绕组和低压绕组并联，是调压变压器的励磁电源，补偿励磁绕组和调压绕组并联，是补偿绕组的励磁电源。调压绕组与公共绕组串联起到调压的作用，补偿绕组和低压绕组串联起到稳定低压侧电压的作用。特高压变压器三侧额定电压为：高压侧1 050 kV（线电压），中压侧为525 kV，低压侧为110 kV。

图4 单相四柱式铁芯

图5 特高压变压器内部绕组接线原理

2.3 两种不同芯柱结构变压器结构比较

在特高压交流变电站当中，三芯柱结构的特高压变压器最早得到应用，与两芯柱结构的特高压变压器相比，三芯柱结构应用更加成熟可靠。况且两芯柱结构中单芯柱容量达到了500 MVA，如此大的容量造成铁芯高度势必增加，变压器的高度相应地也会增加，这就给变压器的运输带来了一定困难。但是，两芯柱结构变压器绕组匝数相比于三芯柱结构变压器来说减少明显，大大降低了成本，同时由于两芯柱结构变压器励磁涌流小、匝数少、杂散损耗低，相比于三芯柱结构来说，调压时电压波动小，电压补偿更为精确。

3 泉城站特高压变压器调压原理

3.1 电磁耦合矩阵方程

由图5可以得到7个绕组的电磁关系：串联绕组、公共绕组和低压绕组之间有电磁联系，它们每匝线圈的感应电动势相同；调压励磁绕组和调压绕组之间有电磁耦合，每匝线圈感应电动势相同；补偿励磁绕组和补偿绕组之间有电磁耦合，每匝线圈感应电动势相同，通过以上分析可以得出

式中：e1、e2、e3分别是串联绕组、调压励磁绕组、补偿励磁绕组中每匝电势；U为中压侧电压（已知量）。利用矩阵方程（1）可求出e1、e2、e3。由矩阵方程（2）可求出高、低侧相电压Uh、Ul。

SV、TV、EV中的磁通为

式中：f为系统频率。

调压原理为：当调压变调压分接头在1～4档时，中压侧电压高于额定电压（525 kV），加在调压绕组上的电压为正，自耦变中的磁通量降低，在调压过程中高压侧电压基本不变，低压绕组、串联绕组以及公共绕组共用一个铁芯，其磁通量的变化趋势保持一致。当自耦变中的磁通量变低时，自耦变中低压绕组的磁通量也变低，相应其低压绕组上的感应电压也降低。调压绕组与补偿励磁绕组并联，当调压绕组电压升高时，补偿励磁绕组上的感应电压也升高，相应补偿变中的铁芯磁通量也升高，补偿绕组的感应电压升高，由于此时补偿绕组的感应电压方向与低压绕组电压方向相同，低压绕组的电压得到补偿，其电压值基本保持不变。调压变调压分接头在5～9档时，中压侧电压低于额定电压（525 kV），加在调压绕组上的电压为负，自耦变压器中铁芯磁通增加。当自耦变压器中的磁通量增加时，自耦变压器中低压绕组的磁通量也增加，低压绕组上的感应电压相应升高。当调压绕组的电压降低时，同理补偿绕组的感应电压也降低，此时补偿绕组与低压绕组电压方向相反，其低压侧电压值也能基本保持不变。

3.2 两种芯柱结构特高压主变调压原理

三芯柱特高压变压器绕组匝数：

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分接等差递减。

双芯柱特高压变压器绕组匝数：

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分接等差递减。

当调压变处于第一档位时，中压侧电压为551 kV，由矩阵方程（1）可得三芯柱特高压变压器各铁心中电压

e1=338.4 V；e2=161.6 V；e3=63.3 V。

高压侧相电压

Uh=854×2×338.4+180×161.6=607 075.2（V）

高压侧线电压

U′h=607 075.2×1.732=1 051.4×103（V）

低压侧电压未补偿前为

Ul=310×338.4=104.9×103（V）

电压偏差为

110-104.9=5.1（kV）

补偿后低压侧电压为

U′l=310×338.4+86×63.3=110.3×103（V）

电压偏差变为

110.3 -110=0.3（kV）

电压偏差变小。

双芯柱特高压变压器各铁芯中电压

e1=425.7 V；e2=141.9 V；e3=94.6 V。

高压侧相电压为

Uh=678×2×425.7+204×141.9=606 196.8（V）

高压侧线电压为

U′h=606 196.8×1.732=1 049.9×103（V）

低压侧电压未补偿前为

UL=246×425.7=104.7×103（V）

电压偏差为

110-104.7=5.3（kV）

补偿后低压侧电压为

U′L=246×425.7+56×94.6=110.02×103（V）

电压偏差为

110.02 -110=0.02（kV）

电压偏差明显变小。

当调压变处于第九档位时，中压侧电压为498 kV，根据上述计算过程可得三芯柱特高压变压器的电压分别为

U′h=606 572×1.732=1 050.6×103V

U′l=109.85×103V，

两芯柱特高压变压器的电压为

U′h=607 111×1.732=1 051.5×103V

U′l=109.93×103V

当中压侧电压变化较大时，可以看出高压侧电压基本保持相等，因此当两台主变并列运行的时候，系统内也不会产生较大环流，不同电压档位下，两种芯柱特高压主变高压侧、低压侧的电压如表1所示。

表1 两种芯柱结构特高压主变电压比较

从表1的数据可知，两种芯柱结构的特高压主变都能够满足中压侧调压的过程中，高压侧电压基本不变，低压侧电压变化不超过±0.2 kV的要求。相比三芯柱特高压主变，两芯柱特高压主变在调压过程中低压侧电压波动更小，补偿电压更为准确，与之前的分析一致。

4 泉城站调压补偿变压器差动保护

为了保证调压变和补偿变匝间绝缘的灵敏度，调压变和补偿变都需要配置电流差动保护，与以往特高压主变相比，泉城站特高压变压器调压补偿变电流差动保护有所改进，以往特高压变压器调压补偿变差动保护接线如图6所示，泉城站特高压变压器调压补偿变压器差动保护接线如图7所示。

图6 原调压补偿变的差动保护接线

从图6、图7中可以看出，在调压变差动保护方面，泉城站特高压变压器与以往的特高压变压器是一样的，所取电流都为公共绕组电流ITA5，调压绕组电流ITA6以及补偿变电流ITA7。当调压变调压分接头在1～4档时，加在调压绕组上的电压为正，电流为正方向，如果规定以流进调压变的电流方向为正，可以得到ITA7=ITA5+ITA6，调压变差动保护所需电流ID=ITA7-ITA6-ITA5。当调压变调压分接头在6～9档时，加在调压绕组上的电压为负，电流为负方向，可以得到ITA7=（-ITA5）+（-ITA6）， 调压变差动保护所需电流 ID=ITA7+ ITA6+ITA5。

图7 泉城站调压补偿变的差动保护接线

泉城站特高压变压器与以往的特高压变压器在补偿变差动保护方面所取的电流是不同的。以往特高压变压器补偿变差动保护所取的电流为低压绕组电流 ITA4、补偿绕组电流 ITA6、调压绕组电流 ITA7。如果规定流进补偿变方向为正，可以得到ITA6=（-ITA4）+（-ITA7），补偿变差动保护所取电流为 ID=ITA6+ITA4+ ITA7。泉城站特高压变压器补偿变差动保护所取的电流为低压绕组电流和调压绕组电流之和ITA4、补偿绕组电流ITA6，可以得到ITA6=-ITA4，补偿变差动保护所取电流ID=ITA6+ITA4。

通过以上分析可知，泉城站特高压变压器在调压变保护方面与以往的特高压变压器没有区别，在补偿变保护方面泉城站特高压变压器有所改进，补偿变保护不取调压绕组电流ITA7，使其电流差动保护逻辑更为简单，保护动作更加灵敏可靠。

5 结语

通过对1 000 kV特高压主变调压原理的介绍以及对泉城站两种不同芯柱结构特高压变压器差异的分析，为泉城站投运后特高压主变的运行维护工作提供参考。

［1］郭慧浩，付锡年.特高压变压器调压方式的探讨［J］.高电压技术，2006，32（12）：112-114.

［2］原敏宏，李忠全，田庆.特高压变压器调压方式分析［J］.水电能源科学，2008，26（4）：172-174.

［3］孙多.1 000 kV变压器调压方式选择及运行维护［J］.中国电力，2010，43（7）：29-33.

［4］田秋松，张劲光，张健毅，等.两种不同芯柱特高压变压器的差异分析［J］.河南电力，2013（1）：1-4.

［5］高文彪，赵宇亭，赵成运.特高压变压器两种调压方法及调压补偿变保护浅析［J］.变压器，2013，50（1）：38-41.

［6］叶严军，崔淑芳.交流特高压变压器特点浅析［J］.河南电力，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

刘希峰（1974），男，工程师，从事电力安全生产管理工作；

安 滨（1990），男，主要从事特高压运检工作；

陈彬彬（1981），男，工程师，主要从事特高压运检工作；

乔 木（1990），男，从事特高压运检工作。