特高压变压器调压方式及原理分析

赵东森，徐育福

（1.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077;（2.国网福建省电力有限公司检修分公司,福建 福州 350013)

0 引言

超高压交流电网变压器一般为自耦变压器，大多数采用单相三柱铁芯，单柱或两柱套线圈结构，单相或者三相一体式。特高压交流电网变压器一般为主体变和调补变分箱布置，采用单相四柱或单相五柱铁芯，两柱或三柱套线圈结构。目前，超特高压变压器单相容量范围为250～1 000 MV·A。按调压方式分，可分为有载调压和无载调压。按调压绕组位置分，可分为中压侧线端调压、中性点调压和串联绕组末端调压等三种[1]，一般的调压方式如图1所示。有载调压开关的故障在变压器故障中占有很大比例，有载调压变压器的故障率约为无载调压变压器的4倍，而有载调压装置自身的故障约占40%[1]，所以前者会增加变压器结构的复杂性和造价成本，且降低了变压器的运行可靠性。目前，超特高电网变压器一般采用无载调压方式。

图1 变压器一般调压方式Fig.1 Transformer general voltage regulation mode

超高压变压器多数采用中压侧线端调压，按照箱体来分，单相自耦或三相自耦，用来联络500 kV与220 kV电网，其线端调压绝缘水平为220 kV。特高压变压器若采用500 kV线端调压，绝缘水平相对较高，线端入波时调压开关和调压绕组受到较高电场的作用，不仅绝缘结构复杂，而且目前尚无可用的调压开关。因此，现阶段特高压变压器只能采用中性点变磁通调压方式，用来联络1 000 kV与500 kV电网。

1 线端调压原理分析

超高压电网常采用中压线端调压方式。由于在调压时绕组的每匝电压不变，不会引起铁芯磁通改变，所以这种调压方式称为恒磁通调压。当中压侧电压调整时，低压侧电压不受或少受影响。因变压器中压侧额定电流大、引线粗，当采用线端调压时，大量引线的绝缘处理难度大，高场强区域范围较大，因而中压侧线端往往成为变压器绝缘的薄弱点。特高压变压器采用中性点调压方式，主要是由变压器的自身特点来决定。1 000 kV级变压器首先应该考虑绝缘问题，如采用线端调压方式，则调压装置的绝缘水平要求很高，其可靠性难以保证。

中压侧线端调压方式，常见接线情况如图1(a)、(b)所示。此调压方式将调压开关直接接于中压侧出线端部，当高压侧电压保持不变、中压侧电压变化时，按电压升高或降低相应地增加或减少匝数，保持每匝电势不变，从而保证自耦变压器铁芯磁通密度为一恒定数值，消除过激磁现象，使第三绕组电压不至于发生波动。如果高压侧电压变化时，变压器的励磁状态虽然也会发生变化，影响到低压侧的电压数值，但这种变化远较中性点调压方式为小，不会大于电压波动范围。

串联绕组末端调压方式，如图1(d)所示。它在高压侧串联绕组处直接进行调压，当高压侧电压升高时，相应增加线圈匝数，当高压侧电压降低时，相应减少线圈匝数，是一种保证铁芯磁通密度恒定的线端调压方式。该方式可克服中性点调压带来的电压波动问题，使中压侧和低压侧电压保持不变。

通常情况下，1 000 kV变压器常采用图1（c）调压方式调压，500 kV变压器多采用图1(a)、(b)调压方式调压，330 kV三相自耦变压器多采用图1(d)调压方式调压。

2 中性点调压原理分析

中性点调压方式，见图l(c)所示，这种调压方式的最大优点是调压绕组及调压装置的工作电压低，绝缘水平要求较低；工作电流小，工作电流为公共绕组电流，即中压侧电流与高压侧电流之差，其值约为中压侧电流的54%。但中性点调压方式的问题是由于调压线圈设在公共绕组上，当调整分接头位置时，则不仅中压侧电压发生变化，高压侧电压也相应变化。同时，第三绕组也会出现电压偏移现象，当升高中压侧电压时，将降低低压侧的电压，如果中压侧电压变化较大，有可能导致低压侧无法使用。而且，中性点调压也称为变磁通调压，调压过程中主绕组的感应电势随之变化，从而可能出现过激磁现象[2-5]。

图2绕组联结图Fig.2 Transformer winding connection diagram

中性点调压方式的最大优点是调压绕组和调压装置的电压低，绝缘要求低，制造工艺易实现，整体造价低。本文以某特高压变压器为例，型号为ODFPS-1000000/1000，1050/3/525/3 ±4×1.25%/110 kV，总体外部结构采用独立外置调压方式，即变压器本体与调压补偿变分箱布置，设置补偿绕组限制因分接位置变化引起低压侧电压波动。

某特高压主变压器的铁芯采用单相五柱式，三个立柱的高压绕组、中压绕组和低压绕组分别并联引出，每柱上的绕组排列顺序为：铁芯柱-低压绕组=中压（公共）绕组-高压（串联）绕组。其7个绕组的匝数如下：NHV=NMV=854；NLV=310；NPV=649；NPV'=460；NBV=86；NTV=±45×4，1档位时为45×4，9档位时为-45×4，1到9档位分接等差递减[5]。第1档位X2对应于分接开关的端子为8[4]。

图3 中性点调压原理图Fig.3 Principle diagram of transformer neutral point voltage regulation

为了保证低压电压恒定，将补偿绕组串入低压绕组，在补偿变压器中设置有PV'和BV，用于补偿低压电压的波动。由于调压补偿变中有2个铁芯，主体变中有1个铁芯。铁芯中将分别产生磁通为Φ1、Φ2、Φ3，且每磁通导致磁通流过绕组每匝线圈感应出的电动势分别相同，依次为e1、e2、e3。磁通与感应电动势关系为Φ=e/4.44f，f为系统频率，图3中虚线表明磁通流通的示意情况。因此，这7个绕组的电磁耦合关系如下：HV、MV、LV有电磁耦合,PV，TV有电磁耦合、PV'、BV有电磁耦合,根据图3中的电磁耦合关系，可推出公式（1）、（2）。

图4 调压过程中典型电气参数变化情况Fig.4 Typical electric parameters in transformer voltage regulation process

UHP、UMP、ULP分别为高压、中压、低压相电压。可以通过式（1）、式（2）分析调压情况。其中额定档位为第5档位，此时调压绕组TV的分接开关的端子为4，调压绕组接入匝数为零，相当于X与X3、X2、X1短接，调压变退出运行，补偿变和主体变运行，此时式（1）（2）中的e3为0。

按照公式（1）（2），以及上文中的某特高压主变7个绕组匝数情况，分别对感应势e、高电压侧相电压U、磁通量Φ进行作图，如图4所示。从图中，知晓三个Φ1、Φ2、Φ3对应于每档均发生变化，高压侧电压始终不变，低压侧相电压波动范围为[-0.135，0.169]%，中压侧相电压调节范围为[-5.30，4.793]%，其变化关系为线性，满足相关技术条件。

3 中性点调压补偿原理分析

图5 分接开关分接头为1、2、3、4档时绕组电势图Fig.5 The transformer tap changer is divided into 1,2,3,4,and the winding potential diagram

当分接头为1、2、3、4档时，绕组电势图见图5。此时，主体变公共绕组(MV)末端正向串联了调压绕组(TV)，主体变变比和电势方向固定，调压变调压绕组(TV)与主体变高压绕组(HV)和公共绕组(MV)电势方向相同，高压侧电势大小EAX=EHV+EMV+ETV，中压侧电势大小EAmX=EMV+ETV；补偿变励磁绕组(PV')电势大小和方向与调压变调压绕组(TV)相同，补偿绕组(BV)与主体变低压绕组(LV)正向串联，电势方向相同，低压侧电势Eax=ELV+EBV；调压变励磁绕组(PV)电势大小和方向与低压侧相同(EPV=Eax=ELV+EBV)。设高压侧电压大小不变，相比额定档位，由于正向串联调压绕组(TV)，ETV正向分压导致EHV、EMV、ELV大小均减小，而EHV减小将使中压侧EAmX变大(EAmX=EMV+ETV)，实现中压侧电压调高的调节；同时ETV正向分压使EPV'大小增加，EBV随之增加，从而补偿由于ELV减小而导致低压侧Eax的变化，实现低压侧补偿功能(Eax=ELV+EBV)。

图6 分接开关分接头为6、7、8、9档时绕组电势图Fig.6 The transformer tap changer is divided into 6,7,8,9,and the winding potential diagram

当分接头为6、7、8、9档时，绕组电势图见图6。此时，主体变公共绕组(MV)末端反向串联了调压绕组(TV)，主体变变比和电势方向固定，调压变调压绕组(TV)与主体变高压绕组(HV)和公共绕组(MV)电势方向相反，高压侧电势大小EAX=EHV+EMV-ETV，中压侧电势大小EAmX=EMV-ETV；补偿变励磁绕组(PV')电势大小和方向与调压变调压绕组(TV)相同（此时与分接头在1、2、3、4档时的电势方向是相反的），补偿绕组(BV)与主体变低压绕组(LV)正向串联，电势方向相反，低压侧电势大小为Eax=ELV-EBV；调压变励磁绕组(PV)电势大小和方向与主体变低压绕组(LV)相同(EPV=Eax=ELV-EBV)。设高压侧电压大小不变，相比额定档位，由于反向串联调压绕组(TV)，ETV反向分压导致EHV、EMV、ELV大小均增加，而EHV增加将使中压侧EAmX减小(EAmX=EMV-ETV)，实现中压侧电压调低的调节；同时ETV反向分压使EPV'反向增加，EBV随之反向增加，从而补偿由于ELV增加而导致低压侧Eax的变化，实现低压侧补偿功能(Eax=ELV-EBV)。

4 结论

某ODFPS-1000000/1000变压器总体外部结构采用独立外置调压变方式，即变压器本体与调压补偿变分箱布置，现场通过外接引线把变压器本体与调压补偿变连接起来使用。

1 000 kV变压器采取了中性点变磁通调压的调压方式,如果不采取措施,其低压输出电压将随分接位置的变化而变化。分析其变化率最大将超过±5%,这是系统运行所不允许的,通过实例，为了控制这种变化,补偿绕组来补偿低压电压,使低压输出电压偏差控制在1%以内，数据表明其调压变化情况为线性，满足相关的技术要求[6-8]。

本文从线端调压、中性点调压及补偿原理分析着手，阐述了特高压变压器的调压方式和原理，对设备生产、运行、检修起到一定的参考价值。

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