特高压大容量变压器性能提升的关键技术研究

孙小飞 荆云波 刘明帅

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1 特高压变压器发展

我国研制成功的特高压变压器，绝缘水平、损耗值、噪声水平等技术性能指标全面超越了日本及前苏联的产品，并且实现了无局放绝缘结构设计，整体达到了国际领先水平。

1.1 绝缘水平

特高压变压器绝缘水平的少量增加将导致产品尺寸和重量的显著增加。对于特高压系统而言，限制产品的尺寸和重量、保证运输可行性已经成为矛盾的主要方面。为控制特高压变压器的制造难度、保证安全可靠性、方便运输安装，首先需要在系统上采取措施，深度限制各类过电压，从而降低对绝缘水平的要求，这也是特高压系统区别于高压和超高压系统的主要技术特征。中国的特高压工程采用高性能避雷器和断路器合闸电阻，并在线路装设特高压并联电抗器，成功实现了各类过电压的深度控制。过电压的深度限制为降低变压器的绝缘水平奠定了技术基础。根据系统过电压水平，分别确定了特高压的绝缘水平为雷电2250kV、操作1800kV、工频 1100kV（5min）。

1.2 特高压变压器绝缘设计

特高压变压器的设计通过全场分析方法，对变压器内部各部位进行电场分析。作为判断依据，各部位用场强的选择直接关系到其分析对象的绝缘裕度控制以及变压器的可靠性。许用场强选择过大，变压器绝缘设计结果将无法满足运输限界对于变压器尺寸的要求；许用场强选择过小，将无法有效控制变压器局部放电发生，甚至出现绝缘击穿。特高压变压器在长期运行电压下的绝缘性能主要取决于其内绝缘的局部放电水平[1]。

1.3 大容量特高压变压器漏磁和温升控制

在成功研制三柱式特高压变压器基础之上，我国进一步开展单柱500MVA的特高压变压器设计，并于2010年成功研制1000MVA、1000kV变压器（两柱结构），成功解决了由于单柱容量提升带来的漏磁控制问题，其变压器接线原理图见图3，同期还成功研制了400MVA的特高压升压变样机，并依托相关工程得到应用；2011年成功研制了1500MVA、1000kV变压器（三柱结构），实现了特高压变压器容量的提升，与特高压输电线路输电容量更好的匹配；在此基础之上，为解决容量提升导致变压器运输受限的问题，我国于2013年和2014年分别成功研制了局部解体和全部解体式1500MVA特高压变压器，彻底解决了运输对于特高压变压器应用的限制。对于1500MVA特高压变压器，单柱线圈容量达到500MVA，须对线圈主空道、油箱、夹件、拉板等部位磁感应强度分布进行逐一分析，采取针对性的漏磁屏蔽措施，降低杂散损耗，防止局部过热。

2 特高压变压器的新发展

2.1 特高压交流1000kV降压220kV变压器

随着我国特高压交流骨干网架的建设，考虑到某些地区存在集中大负荷，而该地区附近没有500kV电网，在此情况下有必要研究特高压1000kV降压220kV变压器的可行性，为特高压骨干网架与220kV电网直连提供技术储备。采用特高压1000kV降压220kV变压器，可以方便地将220kV系统接入特高压骨干网，充分利用现有220kV电网资源，节省电网投资，与常规1000kV降压500kV，再由500kV降压220kV相比，省去一级降压过程，可减少占地、节省设备投资、降低损耗、提高输电效率。但是，经研究论证，特高压1000kV降压220kV变压器应用场合需要满足一定条件，才能在经济性和短路电流之间获得平衡，即特高压1000kV降压220kV变压器适用于负荷量大、负荷密度高，且本地电源容量相对较小的地区。目前，特高压1000kV降压220kV变压器还没有开展工程应用。

2.2 特高压交流大容量变压器

与1000kV、1000MVA单相油浸式自耦变压器相比，容量增大50%、重量仅增加20%。单台（三相一组）特高压大容量变压器额定容量达到4500MVA，解决了变电和输电能力匹配的问题，与特高压线路的自然输送功率形成良好匹配，可进一步提高特高压变电站的经济性，具有重要的应用前景。

2.3 解体式特高压变压器

随着特高压工程在不同区域的建设，尤其是在山区或运输条件受限区域，特高压变压器的运输受限问题日益凸显。为了解决特高压变压器运输问题，采用解体式特高压变压器成为最佳解决方案。解体式特高压变压器采用模块化设计，变压器可实现解体运输，具有器身紧凑、运输重量小、运输成本低等优点，有效解决了特高压变压器的运输问题。我国已成功研制了可整体运输、局部解体运输和全部解体运输的特高压变压器产品系列。全部解体式特高压变压器最大运输部件重量不超过80t，运输尺寸高度由4.99m降低到4.5m，完全满足公路运输限界要求，运输不再成为限制特高压变压器应用的瓶颈。

2.4 特高压变压器技术展望

前期工程用特高压变压器优先考虑变压器的运行可靠性，随着特高压变压器的制造水平和原材料研发能力的逐步提升，特高压变压器的整体性能将会不断优化提升。国产特高压变压器用关键原材料和组部件在得到长期运行考核后，将逐渐替代进口原材料和组部件，进一步提高特高压变压器的国产化水平和经济性。

3 结语

随着特高压变压器工程应用的逐步成熟和变压器智能化技术的进步，在现有局部放电在线监测、油中溶解气体在线监测和铁心接地电流在线监测等在线监测技术和紫外光谱、声电联合等带电检测技术的基础上，可将智能控制、大数据和云计算等先进智能技术应用于特高压变压器的运行控制中，研制出具有关键性能参数全时监测、自适应调节功能的特高压变压器，进一步提高特高压输电可靠性。