特高压自耦变压器关键技术研究

张立国，李其莹，柴孟东，杨禹太，卢 媛

（1.山东电力设备有限公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200）

·特高压技术·

特高压自耦变压器关键技术研究

张立国1，李其莹2，柴孟东1，杨禹太3，卢 媛3

（1.山东电力设备有限公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200）

超特高压变压器在现代电力输送中发挥至关重要的作用，随着超特高压电网技术的日渐成熟，变压器趋向于高电压、大容量。介绍特高压自耦变压器关键技术，分析1 000 MVA特高压自耦变压器结构特点、主绝缘、波过程、漏磁场、运输方案、抗地震能力并提出解决方案，通过相关试验验证了所用结构的合理性和可靠性。

特高压；自耦变压器；1 000 MVA；两柱结构

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交流特高压输变电工程所用主变压器电压等级均为1000kV，单相容量为1000MVA，总体结构为主体变压器与调压补偿变压器两部分。不同厂家的主体变压器结构也不相同，有三主柱方案，也有双主柱方案。根据国家电网公司“十二五”电网发展规划对特高压变压器的需求，山东电力设备有限公司从2011年开始研制电网用特高压自耦变压器，并先后开发设计了三主柱方案和双主柱方案。2012年1月，研制的型号为ODFPS-1000000／1000的特高压自耦变压器样机顺利通过全部出厂试验和型式试验项目。该产品为单相无励磁调压自耦电力变压器，单相容量1 000 MVA，高压额定相电压为1 050 kV，采用两主柱并联结构，每柱容量500 MVA，是目前国内外电压等级最高、单柱容量最大的电力变压器。由于产品电压等级高、容量大、重量重，因此在电场、磁场、温升、抗短路能力、产品运输等方面有很多新问题需要进行技术研究。

1 变压器技术方案

1.1 主要技术规范及接线原理

主要技术规范

型 号：ODFPS－1000000／1000

额定容量：1000／1000／334 MVA

额定电压：（1 050／）／（525／±4×1.25%）／110 kV

额定电流：1649.6／3299.1／3036.3 A

频 率：50 Hz

相 数：单相

联结组标号：Ia0i0（三相YNa0d11）

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

冷却方式：OFAF（主体变）／ONAN（调压变）

绝缘水平：h.v.线路端子 SI／LI／LIC／AC 1 800／2 250 ／2 400 ／1 100 kV

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

h.v.／m.v.中性点端子 LI／AC 325／170 kV

l.v.线路端子 LI／LIC／AC 650／750／275 kV

产品包括主体变压器及调压补偿变压器两部分，电气接线原理如图1所示。

图1 1 000 MVA特高压自耦变压器接线原理

图中 A、Am、AO、a、x 分别为高压首端、中压首端、中性点、低压首端、低压尾端。主体变压器采用两主柱并联结构，调压补偿变压器内有调压变压器和低压电压补偿器。主体变压器与调压补偿变压器通过母线进行连接，两者组合后可以作为一台完整的变压器使用，也可以将主体变压器单独使用。整体结构如图2所示。

图2 1 000 MVA特高压自耦变压器整体结构

1.2 结构特点

由于变压器电压等级高、容量大，为满足运输条件及为将来研制单相三柱1 500 MVA自耦变压器做准备，采用两主柱绕组并联结构，每柱1／2容量即单柱容量500 MVA。

变压器为中性点变磁通调压，分为主体变压器和调压补偿变压器两部分。调压补偿变压器与主体变压器通过母线进行连接。主体变压器采用单相三框四柱式铁芯，两主柱并联的结构方案，两芯柱套线圈，高、中、低压绕组全部并联。调压补偿变压器内有调压变压器和低压电压补偿器，两个器身共用一个油箱。调压变压器由调压绕组和调压励磁绕组构成；补偿变压器由补偿绕组和补偿励磁绕组构成。

自耦变压器中性点调压要保证高压首端电压不变，在匝数改变的情况下，只能通过变磁通调压实现。当磁通改变时，为保证低压电压变化不超过±1%，需对低压电压进行补偿。由图1可知，调压变压器通过主体变压器的低压绕组励磁，调压励磁绕组电压等于主体变压器低压绕组电压；补偿变压器通过调压变压器的调压绕组励磁，补偿变压器的励磁绕组电压等于调压绕组电压；补偿绕组与主体变压器的低压绕组串联后的电压即为最终的低压绕组的电压［1］。

1.3 主绝缘结构及验证

图3 中压与高压间上端部电场分布

主体变压器主绝缘采用“薄纸筒，小油隙”结构，对主体变压器的主绝缘结构建立绝缘模型，利用VEI的MI软件以及ElecNet软件进行主绝缘仿真验证，依据结构特点将主绝缘模型划分为多个区域，根据各区域分析结果调整结构，图3为高压线圈与中压线圈间上端部电场分布图，图4为高压线圈上端部电场裕度分布图，从图中可以看出，高压线圈上端静电环与角环间第一油隙处为绝缘裕度最薄弱位置，其安全裕度值为1.11，大于1.10，主绝缘结构可靠［2］。

图4 高压上端部电场裕度分布

此外，根据中性点绝缘水平由185 kV提高至200 kV的情况，针对中压尾头、补偿励磁线圈出头及引线对周围夹件、油箱等部位的电场分布也进行了重点分析及安全裕度比较，各位置的安全裕度值也均大于1.10。

1.4 纵绝缘结构及验证

750 kV电压及以下等级的自耦变压器一般均采用串联绕组末端或公共绕组首端调压，1 000 kV自耦变压器若采用公共绕组首端调压，500 kV分接开关制作困难，成本高，同时分接线电压等级高，绝缘结构复杂，造成变压器体积更大，可靠性也不高，因此采用分接开关绝缘水平较低的中性点调压。

利用VEI的TT软件以及SOLOS软件对变压器进行波过程仿真验证，同时针对单独调压、补偿的特点也做了重点分析。根据分析结果确定了可靠的纵绝缘结构。高压绕组采用纠结内屏连续式结构，调整纵向电容，改善绕组冲击分布；绕组端部加静电板，并优化电极形状，改善了端部电场分布，减小了绕组冲击梯度，使电位分布均匀，提高了绝缘性能。高压首端入波时绕组节点电压及油道梯度如图5及图6所示，从图中可以看出，高压首端入波时绕组各位置绝缘裕度均足够［3］。

1.5 漏磁分析及防止局部过热措施

变压器每柱容量500 MVA，是目前国内外单柱容量最大的电力变压器。一般来说，变压器的容量越大，漏磁场就越强，在夹件、拉板、油箱等非铁磁材料的钢构件中产生的涡流损耗越大。若设计不当，很容易在涡流损耗集中部位产生局部过热，影响变压器性能。

图5 高压首端入波高压绕组节点电压图

图6 高压首端入波高压绕组油道梯度图

利用大型电磁场分析软件对变压器进行三维漏磁场分析，根据分析结果，通过合理设计夹件及油箱屏蔽结构，在拉板和末级叠片上开槽，根据不同的漏磁区域选择金属结构件的材质等措施，有效降低了漏磁在结构件中产生的涡流损耗，避免了局部过热的发生。三维计算分析模型如图7所示，图8～10分别为油箱、拉板、夹件的损耗密度分布云图，各图中的深浅颜色表明漏磁场由强到弱的变化分布规律。通过各主要漏磁区域的软件分析，得出变压器不会因漏磁产生局部过热，试验结果也证明分析结论正确。

1.6 运输方案分析

考虑变压器外形尺寸，只能采用抬轿式运输方式，为确保运输过程安全，用Ansys有限元分析软件对运输支架在静止状态、水平以及垂直方向3g加速度下的状态进行计算。根据零件图纸建立油箱部分的零件精确模型，器身采用简易模型以便简化计算量和提高计算速度。运输模型如图11所示。

图7 变压器三维计算模型

图8 油箱损耗密度分布云图

图9 拉板损耗密度分布云图

图10 夹件损耗密度分布云图

图11 运输模型

计算结果如表1所示。

表1 运输支架计算结果

油箱支架的等效应力如图12所示，从计算结果可以看出，无论是在水平还是垂直3g加速度力的作用下，运输支架的应力均小于材料的屈服强度345 MPa，且留有充足的安全裕度，所以采用此种运输方式下，运输肩座可以满足运输时的强度要求。

1.7 抗地震能力研究

对于高地震烈度地区的变电站，当变压器等设备及其附件本身难以满足抗震要求时，应通过减震和隔震设计满足要求，目前采取的是在变压器下方加隔震装置的设计方案。表2为近期几个不同特高压变电站的基本抗震参数要求。

表2 不同特高压变电站抗震参数要求

当变电站所处地区地面水平加速度≤3.00 m／s2时，变压器本体及套管等外部组件本身可满足抗震要求，无需加隔震装置，例如济南站、泰州站等；当变电站所处地区地面水平加速度＞3.00 m／s2时，因为套管高度尺寸较大，以ABB高压套管为例，其空气中高度尺寸约为12 m，装配在变压器上的高度尺寸约为18.5 m，容易受地震影响损坏，从特高压电网的安全运行角度考虑，变压器下方需加装隔震装置，例如晋北站、北京东站、潍坊站等项目。

图12 油箱支架的等效应力图

榆横—潍坊1 000 kV特高压输变电工程潍坊站是迄今为止抗震等级最高的特高压变电站，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。为满足抗震要求，中国电力科学研究院、山东设计院、山东电力设备有限公司等多方经过多次计算分析，确定了最终抗震方案。整体布置如图13所示，从基础下方到上依次为：条形基础、隔震器、框架钢梁、变压器本体。隔震器下部通过螺栓与基础上的预埋套筒连接，上部与框架钢梁通过螺栓连接；框架钢梁上部与主体变压器、调压补偿变压器及储油柜支架等焊接或用螺栓连接。

图13 变压器带隔震装置设计

2 结语

近年来，山东电力设备有限公司承担了多项1 000 kV特高压交流输变电工程的变压器生产制造任务，积累了丰富的变压器设计、生产经验。通过多台变压器的出厂试验和已投运电站的顺利运行，验证了设计的可靠性和合理性。结果显示：该类型变压器局部放电量小，绕组平均温升及热点温升均优于技术规范要求，具有损耗低、温升低、噪声低、抗短路能力强等特点。

该类型变压器与相同参数的三主柱结构变压器相比，负载损耗及空载损耗都有较大幅度降低，效率达到99.85%，变压器的运行成本相应减小；另外原材料消耗及占地面积也大幅降低，因此，在节能环保方面具有更优的性能。该类型变压器成功研制，验证了单相1 000 kV／1 500 MVA特高压变压器生产制造的可行性，为进一步制造特高压大容量变压器奠定了良好的基础。

［1］谢毓城.电力变压器手册［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］邱关源.电路（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［3］路长柏，朱英浩.电力变电器计算［M］.黑龙江：黑龙江科学技术出版社，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

张立国（1972），男，高级工程师，主要从事变压器及电抗器设计研究及制造工作；李其莹（1970），男，高级工程师，主要从事电网建设管理工作；柴孟东（1981），男，高级工程师，主要从事变压器设计研究及制造工作；杨禹太（1982），男，工程师，主要从事电力基建项目施工与管理工作；卢 媛（1981），女，高级工程师，主要从事IT项目管理及信息系统运行维护工作。