1000kV变压器的调压原理介绍

(一)1000kV变压器采用无励磁调压方式原因分析

图2-6　1000kV变压器接线原理及其简化图

变压器的调压方式分为有载调压和无励磁调压两种,选择不同的调压方式会对变压器的结构产生重大影响。有载调压虽然有操作方便、电压稳定等优点,但是有载调压大大增加了变压器结构的复杂性和设备造价,降低了设备运行可靠性。国内外统计资料表明,有载调压开关故障在变压器故障中占很大比例,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%,有载调压开关自身的操纵机构、控制回路、灭弧部分都容易发生故障。

我国目前电网中运行的500kV变压器采用有载调压和无励磁调压两种方式,西北750kV示范工程主变为单相自耦变,采用无励磁调压方式。系统电压等级越高,正常情况下电压波动范围越小。区域供电电压质量可以靠投切无功补偿装置以及依靠下一级有载变压器调整分接头来完成。采用无励磁调压的方式完全可以满足季节性运行方式电压调整的需要。

综合以上因素,从可靠性、经济性以及系统运行方式考虑,特高压变压器采用无励磁调压是完全可行的。

(二)1000kV变压器采用中性点调压方式原因分析

按调压绕组的接线位置,自耦变压器的调压方式可分为线端调压和中性点调压。线端调压为定磁通调压,通常指的中压侧线端调压。中性点调压为变磁通,通过中性点进行调压。

目前电网中运行的500kV单相自耦变压器均是采用中压线端调压方式,调压引线和开关的电压水平为220kV,见图2-7。而1000kV主变则采用中性点调压,其中中压侧为500kV,见图2-8。

图2-7　500kV变压器采用线端调压方式

图2-8　1000kV变压器采用中性点调压方式

采用线端调压时,由于公共绕组部分的每匝电动势基本不变。当中压侧系统电压变化时,通过改变公共绕组的匝数使铁芯中的磁感应强度不变,这种调压方式称为恒磁通调压。因其为恒磁通调压,在中压侧线端调压时低压侧电压基本不受影响。这种调压方式简单可靠,但是变压器中压侧额定电流大、引线粗,大量引线绝缘处理难度大,高场强区域范围也较大,中压侧线端往往成为变压器绝缘的薄弱点。1000kV变压器电压等级高,中压系统电压为500kV,如采用线端调压方式,调压装置的绝缘水平要求很高,其可靠性难以保证,因此特高压变压器不易采用中压侧线端调压的方式。

采用中性点调压,则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,而且因调压装置连接在公共绕组回路内,分接抽头电流较小,使得分接开关易制造,整体造价较低。中性点调压缺点为变磁通调压,如果调整分接位置,则三侧电压均要随之变化,有可能使低压侧电压波动过大无法使用。但是,1000kV变压器中压侧的波动一般都能保持在允许范围内,尽管中性点调压会出现过激磁和第三绕组电压偏移现象,但通过合理设计,理论上可实现中压侧电压调整时,低压侧电压不受影响。

特高压变压器主体和调压部分分体布置,分别置于两个独立油箱中,形成自耦变压器(主体)和调压补偿变压器。自耦变和调压变之间通过管路母线连接。因此,高压侧和低压侧之间没有磁的联系,只有电的联系。串联绕组和公共绕组这两个绕组之间既有磁的联系又有电的联系;低压绕组与公共绕组和串联绕组之间只有磁的耦合;低压励磁绕组和低压绕组并联,为调压变提供励磁电源;低压励磁绕组和调压绕组并联,为补偿绕组提供励磁电源;调压绕组和公共绕组相串联起到调压的作用;低压补偿绕组和低压绕组相串联起到稳定低压侧电压的作用。

(三)电压调节补偿原理

调压原理见图2-9,SV为串联绕组,CV为公共绕组,LV为低压绕组,EV为励磁绕组,TV为调压绕组,LE为低压励磁绕组,LT为低压补偿绕组。为了保证低压电压恒定,在调压变压器中设置有LE低压励磁绕组和LT低压补偿绕组,用于补偿低压电压的波动。由于主体变1个铁芯、调压变中有2个铁芯,根据匝电势e=4.44fΦm,当f一定时,匝电势和铁芯磁通成正比。因此,这7个绕组的电磁耦合关系如下:SV、CV、LV有电磁耦合,SV、CV、LV每匝线圈的感应电动势相同;TV、EV有电磁耦合,每匝线圈感应电动势相同;LE、LT有电磁耦合,每匝线圈感应电动势相同。(www.xing528.com)

图2-9　1000kV变压器接线原理图

长治站主变这7个绕组的匝数如下:NSV:854;NCV:854;NLV:310;NEV:649;NLE:460;NLT:86;NTV:±45×4,1到9分接等差递减。根据图2-9的电磁耦合关系,变压器感应电动势U=4.44nfΦm=ne,可以列出式(2-5):

式中:e1、e2、e3分别为SV、EV、LE中每匝电势;Um为中压侧系统电压为已知量。利用上述矩阵方程可求出e1、e2、e3。由矩阵方程(2-6)可求出高、低侧相电压Uh、Ul。

SV、TV、EV中的磁通见式(2-7):

式中:f为系统频率。

其调压原理如下。变压器工作原理E=4.44nfΦm。式中E为公共绕组感应的电动势,忽略励磁电流时其值约等于加在公共绕组上的电源电压。当中压侧系统电压高于额定值(525kV)时,分接头在1～4档(随系统电压高低调整分接头位置)。加在调压绕组上的电压为正,则公共绕组和励磁绕组上的电压降低。可知在铁芯中磁通量Φ将降低,串联绕组SV感应的电压将降低,则中压侧系统电压升高时,高压侧的感应电压基本不变;低压绕组感应电压降低,由调压绕组感应出和低压绕组同方向的电压进行补偿,低压侧电压也基本保持在额定值。

当中压侧电压低于额定值时,分接头在5～9档,其极性端和档位在1～4时正好相反,加在调压绕组上的电压为负,则加在公共绕组上的电压超过额定电压,铁芯中的磁通增加,公共绕组感应电动势升高,高压侧电压维持不变;低压绕组感应电压升高,而调压绕组感应电压的方向和低压绕组电压方向相反,由调压绕组感应的补偿电压和低压绕组的电压方向也相反,因此经补偿后的低压侧电压在偏离额定电压很小处波动。

根据式(2-5)、式(2-6)、式(2-7)经具体计算可知,当分接头分别位于9个档位下时,e1、e2、e3、Uh、Um、Ul、Φ1、Φ2、Φ3计算结果见表2-3;Uh、Um、Ul、Ul1的电压波动见图2-10,Ul1是没有LT绕组时低压侧相电压。可以看出,虽然中性点调压可能会出现第三绕组电压偏移现象,但采用电压负反馈回路,对与TV同柱布置的LE进行电压补偿,可实现中压侧的调节范围为±5%时,保证高压侧电压基本不变,低压侧电压变化不超过±0.2kV。

表2-3　9种分接下重要电气量值

图2-10　9个档位下特高压变压器不同侧电压大小图

故对于特高压变压器来说,采用中性点无励磁调压方式(附加电压补偿)是最好的方法。