220kV自耦变压器推广应用的技术经济分析

李洋

摘 要：变压器作为电力系统主要的电气设备，对电网的安全、可靠、经济运行起着关键的作用。220kV变电站的主变选型在综合考虑电力负荷发展及潮流变化，结合系统短路电流、系统稳定、协调继电保护等因素的情况下，同时计及造价和能耗产生的显著效益，推荐优先采用自耦变压器。本文在分析自耦变压器结构特点的基础上，结合系统的具体情况对现阶段自耦变压器在220kV变电站的使用提出建议。

关键词：自耦变压器 节能降耗 技术经济分析

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（b）-0043-02

变压器作为电力系统主要的电气设备，对电网的安全、可靠、经济运行起着关键的作用。220kV系统的降压变电站通常采用3个电压等级的变压器，其中“高压-中压”（220kV/110kV）是电能的主要传输方向，而10kV低压侧通常安装无功补偿设备，并向周边低压负荷供电。

220kV变电站通常有采用三绕组变压器（简称三圈变）和三相一体的自耦变压器（简称自耦变）两种变压器的方式，目前国内投入电网运行的220kV变压器大部分为三圈变。从20世纪80年代初期开始，华东地区部分省份开始尝试应用自耦变压器。由于在技术和经济上的优势，自耦变压器目前在华东电网和南方电网的220kV变电站中得到普遍使用。

本文通过技术经济分析认为，在目前电网规划和建设的新形势下，自耦变与三圈变相比，在提高电网输送能力和稳定水平、节约能耗、节约占地面积、降低运输成本等方面，具有非常显著的优势。

1 自耦变压器的结构特点

自耦变压器为普通双圈变压器副边绕组合并到原边（公共绕组）后形成，与普通双圈变相比，自耦变节省了一个副边绕组，其原、副边绕组之间不仅有磁的联系，也存在电的联系。自耦变公共绕组和串联绕组铜线截面不同，采用自耦变可以节省制造材料，其变比越小，效果越明显。普通变压器由于铁芯截面较大，一般采用三相五柱式铁芯结构；三相一体的自耦变压器铁芯截面较小，一般采用三相三柱式铁芯结构。

2 自耦变压器对系统稳定的影响

2.1 自耦变变比

变压器电磁容量与额定容量的比值：被称为自耦变压器的效益系数，该比值越低，输送效率越高。当两个电网的电压等级越接近，变压器变比越小，自耦变相对三圈变效率优势越大。500kV和220kV变压器变比小，传输效率高，采用自耦变优势明显。

2.2 自耦变运行方式

自耦变压器的利用效率受运行方式的影响，220kV变电站通常为高压向中、低压供电，这样可以充分发挥自耦变优势，使传输容量达到最大。

2.3 系统单相短路电流的控制

由于自耦变压器零序阻抗值较小，所以，在靠近电厂的220kV站点和500kV变电站可能会引起单相短路电流超过三相短路电流。表1以某220kV片区电网为例，研究220kV变电站使用自耦变和三圈对500kV变电站220kV母线单相短路电流水平的影响。

由表1可知，在500kV变压器中性点增设小电抗器是限制500kV变电站220kV母线单相短路电流的有效措施， 而全部改用三圈变的效果比在500kV主变中性点加装小电抗的效果要差很多。

3 自耦变压器对主变控制、保护的影响

三绕组变压器的中性点接地可以通过调度方式来调整，因此系统零序网络能够保证不发生变化，但自耦变因为中性点必须直接接地，其零序网络是相对固化的，如果运行方式发生改变，系统零序网络也会相应发生变化。

当自耦变压器的运行方式发生改变时，解决零序电流的继电保护整定困难的问题可以通过以下措施得以解决：（1）将原零序电流保护改为微机接地距离保护；（2）系统主保护采用光纤纵联分相电流差动保护。通过采用这些措施，自耦变压器保护与三绕组变压器相比只需对其公共绕组增加配置1段2时限过流和过负荷保护。

4 自耦变压器与三圈变压器的技术性分析

自耦变压器与普通变压器相比有以下优点。

当输送容量相同时，自耦变压器相对来说外形尺寸小，消耗的铜铁材料少，因此，既减轻了运输压力，又降低了设备造价，特别是对高电压等级的大容量变压器具有非常重要的意义，而且因为自耦变压器的电磁容量小，能耗明显降低，从而提高了电网的稳定水平和输送能力，也减少了无功补偿设备的容量。

自耦变压器比普通变压器体积小、重量轻，可根据相关厂家资料得知，一台180MVA三相一体的自耦变压器比三圈变重量约轻50t，节省占地约30m2，其安装和运输也更方便。这对于在运输条件困难的情况下，变电站需要采用大容量变压器来说，具有非常重要的意义。

自耦变压器与普通变压器相比也存在以下缺点：由于自耦变压器高、中压绕组之间有电气联系，使其电抗值比普通变压器小，三相短路电流也会相应增大，但从目前电网运行方式来看，110kV系统大多为开环运行，即使合环运行因为110kV开关采用的是40kA水平的SF6断路器，所以，也就能满足要求；另外，自耦变压器中的冲击过电压也比普通变压器要严重一些，可以通过在自耦变压器的两个自耦绕组出线上装设避雷器解决此问题。

5 自耦变压器与三圈变压器的经济性分析

5.1 投资分析

根据投资分析，三相一体的自耦变造价较同容量普通三圈变低20%～30%。如果按全国每个省电网每年新投运30台220kV自耦变压器，则每年至少可以节约投资3600万元以上，如果全国范围内推广采用自耦变压器，每年至少可以节约投资8.28亿元。

5.2 能损分析

按单台变压器年能损为计算，根据变压器厂提供的参数及相关计算可知，单台同容量的自耦变和三圈变相比较，自耦变运行损耗费用较三圈变低35%左右，具有较明显的优势。

计及造价和能耗因素情况下，根据相关计算，每个220kV变电站终期3台变压器若全部采用自耦变，每年产生的节省效益约537～783万元。若按主变压器的全寿命周期考虑，每个220kV变电站主变运行30年产生的节省效益约1.6～2.3亿元。由此可见，220kV变电站采用自耦变压器带来的经济效益非常明显，而且随着电网更多地采用自耦变压器，效益将更加显著。

6 结语

通过以上的技术经济分析可知，220kV变电站采用自耦变压器与普通变压器相比，在提高电网稳定水平和输送能力、节约能耗、节约占地面积、降低运输成本等方面有着显著的优势。220kV变电站的主变选型在综合考虑电力负荷发展及潮流变化，结合系统短路电流、系统稳定、协调继电保护等因素的情况下，同时计及造价和能耗产生显著效益，推荐优先采用自耦变压器，自耦变压器的应用是电网企业节能降本的重要举措，应予大力推广。

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