特高壓變壓器調(diào)壓補償方式分析與檔位選擇

譚風雷，陳 昊，劉懷宇

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211102）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟高速增長，社會用電量屢創(chuàng)新高，為滿足電網(wǎng)建設(shè)要求，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強智能電網(wǎng)得以大規(guī)模建設(shè)[1-4]。國家能源局發(fā)布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020 年）》中提出建設(shè)特高壓與常規(guī)輸電相結(jié)合的輸電通道，進一步增加電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模，優(yōu)化電網(wǎng)主網(wǎng)架，可見特高壓電網(wǎng)建設(shè)對經(jīng)濟發(fā)展起著決定性作用。特高壓電網(wǎng)主要由±800 kV 換流站及其輸電線路、1 000 kV 變電站及其輸電線路組成。1 000 kV 特高壓變壓器作為1 000 kV 變電站的核心電力設(shè)備，承擔著升降壓的任務，直接影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[5-7]。

鑒于1 000 kV 特高壓變壓器的重要性，許多專家對其進行了深入研究，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)壓原理、保護控制、溫升控制等[8-12]。但由于特高壓變壓器電壓等級高，很多研究都只能局限于理論分析，缺乏現(xiàn)場試驗，從而限制了特高壓變壓器的應用。在特高壓變壓器的眾多研究方向中，本文選擇調(diào)壓原理作為研究重點。文獻[13]以1 000 kV 特高壓晉東南站為例，分析了調(diào)補變壓器差動保護原理及配置，為特高壓變壓器的安全運行提供參考。文獻[14]以1 000 kV 特高壓南陽站為例，通過建立仿真模型分析了完全補償和非完全補償2 種補償方式的調(diào)壓效果。文獻[15]通過分析2 種補償方法各個繞組的電氣連接與電磁耦合關(guān)系，對其調(diào)壓結(jié)果進行了比對。盡管現(xiàn)有文獻對調(diào)壓原理的相關(guān)研究已有很多，但都只是通過仿真分析了調(diào)壓過程，尚未建立數(shù)學模型定量分析，缺乏理論依據(jù)。

針對上述問題，本文首先研究了特高壓變壓器的結(jié)構(gòu)原理及調(diào)壓補償方式，分析了非完全補償和完全補償2 種方式各繞組間的電氣連接與電磁耦合關(guān)系。然后以完全補償方式為例，對特高壓變壓器的調(diào)壓過程進行定性分析。最后通過建立2 種補償方式的數(shù)學模型，研究檔位選擇方法，分析比較了它們的調(diào)壓效果。

1 特高壓變壓器結(jié)構(gòu)原理

考慮到1 000 kV 特高壓變壓器電壓高、容量大，為了便于安裝與運輸，一般都采用單相分體結(jié)構(gòu)。同時鑒于自耦變壓器成本低、重量輕等優(yōu)勢，特高壓變壓器一般都采用自耦變壓器[16]。自耦變壓器有線端調(diào)壓和中性點調(diào)壓2 種調(diào)壓方式。其中，線端調(diào)壓一般采用中壓側(cè)線端調(diào)壓，屬于定磁通調(diào)壓；而中性點調(diào)壓一般是借助中性點進行調(diào)壓，屬于變磁通調(diào)壓。就特高壓變壓器而言，其中壓側(cè)額定電壓為500 kV，若采用線端調(diào)壓，調(diào)壓裝置的絕緣水平難以滿足，使得制造成本過高；若采用中性點調(diào)壓，具有調(diào)壓裝置絕緣水平低、分接抽頭電流小等優(yōu)勢。因此，特高壓變壓器一般都采用中性點調(diào)壓方式[17-18]。

中性點調(diào)壓屬于變磁通調(diào)壓，當分接開關(guān)處于不同位置時，中壓側(cè)電壓與電流、低壓側(cè)電壓會隨之改變。為了減少特高壓變壓器的電壓波動，提高系統(tǒng)運行可靠性，需對低壓側(cè)進行補償。根據(jù)變壓器調(diào)壓勵磁電源的不同，又分為非完全補償方式和完全補償方式。其中，非完全補償方式結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，其PV（調(diào)壓勵磁繞組）電源取自LV（低壓繞組）電壓；完全補償方式結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，其PV 電源取自LV 和BV（補償繞組）的電壓和，即為低壓側(cè)電壓。

圖1 非完全補償方式結(jié)構(gòu)原理

圖2 完全補償方式結(jié)構(gòu)原理

考慮到特高壓變壓器體積大，一般采用分體結(jié)構(gòu)，包括主體變壓器和調(diào)補變壓器兩部分。其中，調(diào)補變壓器內(nèi)設(shè)置調(diào)壓變壓器和補償變壓器2 個器身，調(diào)壓開關(guān)放置在調(diào)補變壓器油箱內(nèi)。主體變壓器與調(diào)補變壓器采用油-空氣套管引出，在外部進行連接。

2 特高壓變壓器調(diào)壓原理定性分析

由圖1 和圖2 可知，特高壓變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)之間只有電氣連接，不存在磁的聯(lián)系，其中7 個繞組的電磁耦合關(guān)系為：高壓繞組、中壓繞組和低壓繞組存在電磁耦合，每匝線圈的感應電動勢e1相同；調(diào)壓勵磁繞組和調(diào)壓繞組存在電磁耦合，每匝線圈感應電動勢e2相同；補償勵磁繞組和補償繞組存在電磁耦合，每匝線圈感應電動勢e3相同。

特高壓變壓器的調(diào)壓原則為：高壓側(cè)電壓保持不變；低壓側(cè)電壓保持不變；調(diào)節(jié)中壓側(cè)電壓。以下以完全補償方式為例來分析特高壓變壓器的調(diào)壓過程。根據(jù)圖2 的電氣連接關(guān)系，結(jié)合上文分析的電磁耦合關(guān)系，當分接開關(guān)處于正分接時，高壓側(cè)電壓UH、中壓側(cè)電壓UM和低壓側(cè)電壓UL可以表示成：

式中：EHV表示高壓繞組兩端感應電勢；EMV表示中壓繞組兩端感應電勢；ELV表示低壓繞組兩端感應電勢；ETV表示調(diào)壓繞組兩端感應電勢；EPV表示調(diào)壓勵磁繞組兩端感應電勢；EBV表示補償繞組兩端感應電勢；EPV′表示補償勵磁繞組兩端感應電勢。

根據(jù)UH表達式可知，當分接開關(guān)處于正分接時，正向串聯(lián)TV，由于UH保持不變，ETV正向分壓使得EHV和EMV減少，同時HV，MV 和LV有電磁耦合，ELV也減少。根據(jù)UM表達式可知，當EHV減少時，由于UH保持不變，使得UM增加，從而實現(xiàn)中壓側(cè)電壓升高的調(diào)節(jié)。根據(jù)UL表達式可知，由于ETV正向分壓使得EPV′增加，EBV隨著增加，從而ELV減少，實現(xiàn)低壓側(cè)補償功能，使得UL基本保持不變。

當分接開關(guān)處于負分接時，UH，UM和UL可以表示成：

根據(jù)UH表達式可知，當分接開關(guān)處于負分接時，反向串聯(lián)TV，由于UH保持不變，ETV反向分壓使得EHV和EMV增 加，同時HV，MV和LV有電磁耦合，這時ELV也增加。根據(jù)UM表達式可知，當EHV增加時，由于UH保持不變，UM減少，從而實現(xiàn)中壓側(cè)電壓減少的調(diào)節(jié)。根據(jù)UL表達式可知，由于ETV反向分壓使得PV′反向電勢增加，EBV隨著反向增加，從而抵消ELV的增加，實現(xiàn)低壓側(cè)補償功能，使得UL基本保持不變。

考慮到特高壓變壓器采用非完全補償方式時的調(diào)壓過程與采用完全補償方式時基本一致，就不再敘述。

3 特高壓變壓器調(diào)壓模型

3.1 非完全補償方式調(diào)壓模型

根據(jù)圖1 電氣結(jié)構(gòu)，可得非完全補償方式下的電氣表達式：

式中：NHV表示高壓繞組線圈匝數(shù)；NMV表示中壓繞組線圈匝數(shù)；NLV表示低壓繞組線圈匝數(shù)；NTV表示調(diào)壓繞組線圈匝數(shù)；NPV表示調(diào)壓勵磁繞組線圈匝數(shù)；NBV表示補償繞組線圈匝數(shù)；NPV′表示補償勵磁繞組線圈匝數(shù)。

求解式（3）可得：

根據(jù)式（4），結(jié)合圖1 可得非完全補償方式下UM和UL的表達式：

3.2 完全補償方式調(diào)壓模型

根據(jù)圖2 電氣結(jié)構(gòu)，可得完全補償方式下的電氣表達式：

求解式（6）可得：

根據(jù)式（7），結(jié)合圖2 可得完全補償方式下UM和UL的表達式：

為了便于后文的分析，現(xiàn)定義4 種變量。

1）變量1，低壓側(cè)各檔位電壓相對于低壓側(cè)額定電壓110 kV 的波動率，其表達式為：

式中：i 表示分接開關(guān)檔位；Xi表示分接開關(guān)處于第i 檔時，低壓側(cè)電壓相對于低壓側(cè)額定電壓110 kV 的波動率；ULi表示分接開關(guān)處于第i 檔時低壓側(cè)電壓。

2）變量2，低壓側(cè)各檔位電壓相對于未調(diào)檔時低壓側(cè)電壓（分接開關(guān)處于5 檔時）的波動率，其表達式為：

式中：Yi表示分接開關(guān)處于第i 檔時，低壓側(cè)電壓相對于未調(diào)檔時低壓側(cè)電壓的波動率。

3）變量3，中壓側(cè)各檔位電壓相對于中壓側(cè)各檔位額定電壓的波動率，其表達式為：

式中：Zi表示分接開關(guān)處于第i 檔時中壓側(cè)電壓相對于中壓側(cè)第i 檔額定電壓的波動率；UMi表示分接開關(guān)處于第i 檔時中壓側(cè)電壓；UMi0表示分接開關(guān)處于第i 檔時中壓側(cè)額定電壓。

4）變量4，分接開關(guān)各檔位間電壓變化率，其表達式為：

式中：dij表示分接開關(guān)處于第i 檔與第j 檔的電壓變化率。

4 檔位選擇方法研究

上文分析了特高壓變壓器2 種調(diào)壓方式的原理，以下研究特高壓變壓器的檔位選擇方法，主要包括4 個步驟。

1）步驟一，計算特高壓變壓器中壓側(cè)目標電壓UMT?？紤]到中壓側(cè)目標電壓與500 kV 線路對側(cè)電壓、線路阻抗、線路電流和系統(tǒng)無功投退情況有關(guān)，故中壓側(cè)目標電壓UMT可以表示為：

式中：U0表示500 kV 線路對側(cè)電壓；Z0表示線路阻抗；I0表示線路電流；UI表示110 kV 低壓側(cè)電抗器對中壓側(cè)電壓影響；UC表示110 kV 低壓側(cè)電容器對中壓側(cè)電壓影響?？紤]到中壓側(cè)目標電壓計算比較復雜且不屬于本文的研究重點，因此文中假定中壓側(cè)目標電壓即為中壓側(cè)第5 檔額定電壓。

2）步驟二，確定分接開關(guān)的檔位范圍。計算中壓側(cè)目標電壓與分接開關(guān)處于第5 檔時中壓側(cè)電壓的差值變化率，表達式如下：

根據(jù)電壓差值變化率D，可以得到分接開關(guān)的檔位范圍，如表1 所示。

表1 分接開關(guān)檔位范圍與D 值關(guān)系

3）步驟三，確認分接開關(guān)的檔位范圍后，計算檔位范圍內(nèi)各檔位中壓側(cè)實際電壓相對于中壓側(cè)目標電壓的誤差Wi：

4）步驟四，各檔位中壓側(cè)實際電壓相對于中壓側(cè)目標電壓的誤差Wi最小值對應的檔位即為最優(yōu)檔位。當出現(xiàn)2 個檔位對應的Wi相同時，應根據(jù)檔位調(diào)整最少原則選擇相應檔位，例如當前檔位為6 檔，檔位調(diào)整范圍為7 檔和8 檔，且7檔、8 檔相對于中壓側(cè)目標電壓的誤差Wi相同，考慮到選擇7 檔時，分接開關(guān)只需動作一次，而檔位選擇8 檔時，分接開關(guān)需動作2 次，因此分接開關(guān)檔位選擇7 檔。

5 2 種調(diào)壓方式及檔位選擇分析

目前，1 000 kV 特高壓變壓器主要生產(chǎn)廠家有西安西電、山東電工和特變電工3 家，其中西安西電變壓器采用完全補償方式，山東電工和特變電工變壓器采用非完全補償方式。

采用非完全補償方式的特高壓變壓器線圈參數(shù)如下：NHV=854，NMV=854，NLV=310，NTV=±45×4，NPV=649，NBV=86，NPV′=460。

采用完全補償方式的特高壓變壓器線圈參數(shù)如下：NHV=687，NMV=687，NLV=249，NTV=±40×4，NPV=592，NBV=59，NPV′=325。

5.1 2 種調(diào)壓方式結(jié)果分析

5.1.1 高壓側(cè)電壓UH 保持606.218 kV 不變

當UH為額定值606.218 kV 時，2 種補償方式對應的三側(cè)電壓如表2 和表3 所示。

表2 非完全補償方式對應的三側(cè)電壓（UH=606.218 kV）kV

表3 完全補償方式對應的三側(cè)電壓（UH=606.218 kV）kV

1）低壓側(cè)波動情況。

圖3 為UH=606.218 kV 時低壓側(cè)電壓，由圖可知：相對于低壓側(cè)額定電壓110 kV，采用非完全補償方式時，UL在額定值110 kV 兩側(cè)波動，平均相對誤差為0.871‰；采用完全補償方式時，UL在額定值110 kV 下側(cè)波動，平均相對誤差為1.269‰。因此，采用非完全補償方式時，UL更加接近額定值110 kV。

圖3 低壓側(cè)電壓（UH=606.218 kV 時）

相對于低壓側(cè)未調(diào)檔電壓（分接頭處于5 檔），采用非完全補償方式時，UL隨著分接頭檔位增加而降低，平均相對誤差為0.948‰；采用完全補償方式時，UL隨著分接頭檔位增加而降低，平均相對誤差為0.053‰。因此，采用完全補償方式時，調(diào)壓過程所產(chǎn)生的低壓側(cè)電壓波動更小。

2）中壓側(cè)調(diào)壓情況。

隨著分接開關(guān)檔位變化，中壓側(cè)額定電壓也會發(fā)生變化，各檔位對應的中壓側(cè)額定電壓如表4 所示。

表4 各檔位對應的中壓側(cè)額定電壓

圖4 為UH=606.218 kV 時UM相對誤差。由圖4 可知：采用非完全補償方式時，中壓側(cè)調(diào)壓相對誤差隨著檔位的增加先增加后降低，平均相對誤差為1.07‰；采用完全補償方式時，中壓側(cè)調(diào)壓相對誤差也是隨著檔位的增加先增加后降低，平均相對誤差為0.56‰。因此，采用完全補償方式時，中壓側(cè)調(diào)壓相對誤差更小，更加接近中壓側(cè)額定電壓。

圖4 中壓側(cè)調(diào)壓相對誤差（UH=606.218 kV 時）

由上述分析可知：當UH=606.218 kV 時，采用完全補償方式，中壓側(cè)調(diào)壓誤差更小，低壓電壓波動更?。徊捎梅峭耆a償方式，低壓側(cè)電壓更加接近額定值110 kV。因此，特高壓變壓器采用完全補償是較好的調(diào)壓方式。

5.1.2 高壓側(cè)電壓UH 波動

為分析UH波動時2 種補償方式的調(diào)壓結(jié)果，文中將研究UH在之間6 檔電壓所對應的調(diào)壓結(jié)果。

1）低壓側(cè)波動情況。

圖5 為UH波動時非完全補償方式低壓側(cè)電壓，圖6 為UH波動時完全補償方式低壓側(cè)電壓，顯然無論哪種補償方式，UL都隨著分接開關(guān)檔位的增加而降低，隨著UH的增加而升高，符合實際情況，從而驗證了式（5）和式（8）的正確性。

圖5 非完全補償方式低壓側(cè)電壓（UH 波動）

圖6 完全補償方式低壓側(cè)電壓（UH 波動）

表5 所示為UH波動時2 種補償方式低壓側(cè)電壓波動情況。

表5 低壓側(cè)電壓波動率（UH 波動）

分析表5 可知，無論哪種補償方式，Xi都是隨著UH的增加先減少后增加，并在UH為額定值時取得最小值，Yi都與UH無關(guān)。對于Xi，采用非完全補償方式時對應的數(shù)值較小，說明采用該補償方式時，UL更加接近低壓側(cè)額定電壓；對于Yi，采用完全補償方式時對應的數(shù)值較小，說明采用該補償方式時，UL波動較小。

2）中壓側(cè)調(diào)壓情況。

圖7 為UH波動時非完全補償方式中壓側(cè)電壓，圖8 為UH波動時完全補償方式中壓側(cè)電壓。

圖7 非完全補償方式中壓側(cè)電壓（UH 波動）

圖8 完全補償方式中壓側(cè)電壓（UH 波動）

由圖7 和圖8 可知，無論哪種補償方式，UM都隨著分接開關(guān)檔位的增加而降低，隨著高壓側(cè)電壓的增加而升高，符合實際情況，從而也驗證了式（5）和式（8）的正確性。

表6 所示為UH波動時2 種補償方式中壓側(cè)電壓變化情況。

表6 中壓側(cè)電壓變化率（UH 波動）

由表6 可知，無論哪種補償方式，Zi都是隨著高壓側(cè)電壓的增加先減少后增加。當高壓側(cè)電壓UH≥611.991 kV 時，采用非完全補償方式時對應的Zi數(shù)值較??；而當高壓側(cè)電壓UH≤606.218 kV 時，采用完全補償方式時對應的Zi數(shù)值較小。總體而言，采用完全補償方式時對應的Zi平均值較小，說明采用完全補償方式時，UM更加接近中壓側(cè)額定電壓。

從上文分析可知，不管是UH=606.218 kV，還是UH波動，就中壓側(cè)調(diào)壓和低壓側(cè)波動情況而言，都是采用完全補償方式效果較好。因此，特高壓變壓器的調(diào)壓方式宜采用完全補償方式。

5.2 檔位選擇方法

表7 2 種調(diào)壓方式的檔位選擇結(jié)果

表8 非完全補償方式高壓側(cè)電壓與檔位對應關(guān)系

表9 完全補償方式高壓側(cè)電壓與檔位對應關(guān)系

6 結(jié)論

1）分析了特高壓變壓器7 個繞組間的電磁耦合關(guān)系，并結(jié)合各繞組間的電氣聯(lián)系，以完全補償方式為例，對特高壓變壓器的調(diào)壓過程進行了定性分析。

2）在建立特高壓變壓器非完全補償和完全補償2 種補償方式數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，從高壓側(cè)電壓保持額定值和高壓側(cè)電壓波動2 個方面，對2種補償方式進行了定量分析，結(jié)果表明采用完全補償方式時，低壓側(cè)電壓波動更小，中壓側(cè)電壓調(diào)壓更準。

3）研究了特高壓變壓器的檔位選擇方法，根據(jù)一定假設(shè)，給出了特高壓變壓器高壓側(cè)電壓與檔位對應關(guān)系，可為現(xiàn)場檔位選擇提供指導。