典型超高压电站变压器的原理结构与参数解析

典型超高压电站变压器大多采用单相自耦变压器,自耦变压器是输入电压和输出电压来自一个公共绕组的一种变压器,是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置,是一种自感式变压器,比普通互感变压器价格低,作降压或升压用,具有结构简单、损耗小、效率高、温升低、使用可靠和价格低等特点。

单相自耦变压器的结构原理图如图2-31所示。单相自耦变压器的铁芯上套有两个同心的绕组,低压侧引出线为ax,高压侧引出线为AX。ax绕组为低压绕组(副绕组),供高低压侧两侧共用,称为公共绕组,其匝数为N 2;Aa与公共绕组串联后供高压侧用,称为串联绕组,其绕组匝数为N 1。高压绕组(原绕组)由Aa绕组和ax绕组组成,其匝数为N 1+N 2;原、副绕组不仅有磁的联系,而且有电的联系。普通变压器利用电磁感应作用,以交变磁场为媒介,实现电能的传送,只存在电磁功率的传送。而自耦变压器一、二次侧不仅有电磁功率的传送,也存在传导功率的传送。但是它们都实现将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。自耦变压器可以作为升压或降压变压器使用。以下就单相自耦变压器带负载情况的工作原理进行分析,给出一、二次侧电动势、电流比例关系,同时就自耦变压器的容量进行分析。

图2-31　自耦变压器结构原理图

(一)自耦变压器的基本公式推导

图2-31所示为自耦变压器各物理量的正方向,下面分析自耦变压器的基本方程式。当高压侧加交流电压时,将在串联绕组Aa产生交流电流,它将在铁芯中产生与绕组交链的主磁通Φ,还会在绕组少量产生经空气等非磁性物质闭合的漏磁通Φσ1,主磁通在各绕组线圈产生感应电动势e。高压侧回路电压方程为

式中:1为高压侧电压;为串联绕组Aa的电动势;为串联绕组Aa的电流;Z Aa为串联绕组Aa的漏阻抗,Z ax为公共绕组ax的漏阻抗。低压侧回路电压方程为

式中:为低压侧电压(负载上的电压);为公共绕组ax的电动势;为公共绕组ax的电流;Z ax为公共绕组ax的漏阻抗。

根据图2-31,对于节点a列KCL方程式,可得出电流之间的关系如下

按照全电流定律,自耦变压器串联绕组磁动势 N 1与公共绕组磁动势N 2之和为励磁磁动势(N 1+N 2),即

类似于双绕组变压器,把-)用励磁电流I 0在励磁阻抗Z m上的压降表示,即

另k A为自耦变压器的变比,则

用折合算法,把自耦变压器低压侧的量折合到高压侧,将式(2-6)中的带入式(2-7),并在等式两边同时除以N 1+N 2,得

令:

将式(2-11)带入式(2-10),得

把式(2-5)的等号两边同乘以k A,得

用带入式(2-13),并考虑,得到

把式(2-4)与式(2-14)相加,并考虑的关系,得到

图2-32　自耦变压器的简化等效电路

(二)自耦变压器的等效电路

根据上述推导的式(2-4)、式(2-8)、式(2-12)、式(2-14)得到自耦变压器折合到高压侧的简化等效电路,如图2-32所示。

(三)自耦变压器的向量图

根据上述分析,得到自耦变压器的向量图,如图2-33所示。

图2-33　自耦变压器的相量图

(四)自耦变压器的容量关系

自耦变压器的额定容量和绕组容量(又称为电磁容量)二者不相等。额定容量用S NA表示,是指自耦变压器总的输入或输出容量。例如,高压侧的额定容量S 1 NA为

低压侧的额定容量为

高、低压侧的额定容量彼此相等,即

电磁容量是指绕组电压与电流的乘积,串联绕组Aa的电磁容量为

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公共绕组ax的电磁容量为

其中

式中:k xy为效益因数。

由于k A＞1,故k xy＜1。因此,在自耦变压器,电磁容量总是小于额定容量的。参看图2-31自耦变压器的连接图,如果它不作自耦连接,是一个双绕组变压器,当串联绕组Aa是高压绕组,公共绕组ax是低压绕组,它们的电压、电流相应为和当接成自耦变压器后,低压侧电压不变,但其电流却由变成了。从数值上看,比增加了一个由传导而来的电流,这就使低压侧输出容量为

低压侧输出容量比公共绕组ax的电磁容量S M增加了一项传导容量S C。S C可以看成是电流1通过传导作用直接传到负载的,没有经过绕组的电磁作用,因而它不占用绕组的容量。这种现象在双绕组变压器里是不存在的。可见,自耦变压器多了一项传导容量。至于高压侧的情况,接成自耦后,高压侧电压在数值上变为U 1=U Aa+U 2,当然比U Aa增大了。这样,高压侧的容量为

也比串联绕组Aa的电磁容量增加了同样的一项传导容量。可见,自耦变压器的容量有电磁功率和传导功率两部分组成,而传导功率是普通变压器所不具有的,所以自耦变压器容量要比普通变压器容量大。

下面把自耦变压器和双绕组变压器来进行比较,比较的前提是二者的额定容量相同。由于变压器的有效材料,如硅钢片和铜线的用量与绕组容量有关,自耦变压器的绕组容量(电磁容量)小,当然所用的材料也少,可以降低成本。在同样的电流密度和磁通密度下,自耦变压器的铜损耗和铁损耗以及励磁电流都比较小,从而提高了效率。相应地,自耦变压器的重量及外形尺寸也都比较小,可以减小变电站占地面积和减少变压器运输和安装的困难。还可看出,效益因数k xy越小,上述的优点就越显著。为此,自耦变压器的变比k A越接近1越好,一般不超过2,若k A大,其绕组容量就接近于自耦变压器额定容量,优越性就明显降低。此外,变比太大,高低压绕组电压值相差悬殊,自耦变压器高、低压回路没有隔离,会给低压侧的绝缘及安全用电带来一定困难。

(五)单相自耦变压器的优缺点

1.节省材料

变压器的质量和尺寸是由绕组容量决定的,与普通双绕组变压器相比,在相同的标称容量下,自耦变压器有较小的绕组容量。因此节省材料,尺寸较小,造价较低,运输和安装也比较方便。效率程度与k A有关,k A越接近1,经济效益越大。例如,当k A=1.1时,电磁感应功率仅占9.09%,大部分为传导功率;当k A=1时,电磁感应功率为零,全部功率为直接传导,而k A较大时,经济效益就不显著了。

2.效率较高

当绕组中的电流和电压一定时,则不论是双绕组变压器或接成自耦变压器,两种情况下的铜耗和铁耗是相同的。但在计算效率时,由于自耦变压器有一部分是传导功率,其输出功率比双绕组变压器大倍,故效率较高,可达到99%以上。

3.有较小的电压变化率和较大的短路电流

自耦变压器运行时有较小的电压降落,故有较小的电压变化率。这对正常运行是有益的。但是发生短路故障时,将有较大的短路电流,从而对断路器提出较高要求,这是不利的。为此,串联绕组与公共绕组之间常设计成有较大的漏抗。

4.需有可靠的保护措施

由于自耦变压器原、副边之间有电的直接联系,为防止高压侧单相接地引起的低压侧的过电压,自耦变压器中性点必须可靠接地;同时,当高压侧遭到雷击过电压时,会引起低压边的过电压,因此高、低压两侧均须要装设避雷器,加强初级、次级侧防雷保护措施,其继电保护较为复杂。

(1)自耦变压器的短路阻抗较小,因此短路电流较大。故设计时应注意绕组的机械强度,必要时可适当增大短路阻抗以限制短路电流。

(2)由于原、副绕组间有电的直接联系,运行时,原、副绕组侧都需装设避雷器以防高压侧产生过电压时引起低压绕组绝缘损坏。

(3)为防止高压侧发生单相接地时引起低压侧非接地相对地电压升得较高,造成对地绝缘击穿,自耦变压器中性点必须可靠接地。

在现代超高压电力系统中,常常采用自耦变压器把电压等级相差不大的输电线路连接起来。由于自耦变压器一般采用星形联结方式,这时为了消除三次谐波磁通的影响,往往在变压器中加上一个三角形联结的第三绕组。为了充分利用这个第三绕组,就把它当作低压绕组,作为附近地区的电源,或接调相机或电力电容器以改善功率因数。于是就形成了三绕组自耦变压器。这种三绕组自耦变压器实际上只是高、中压是自耦的,低压绕组在电气上独立的。由于超高压电力系统中要求中性点接地,所以它们的标准联结组通常YN,a0,d11,如图2- 34～图2-35所示。其中,500kV单相自耦变压器绕组联结与出线示意图如图2-34所示,利用三台单相自耦变压器联结成三相变压器的联结组(YN,a0,d11)的相量图如图2-35所示。

500kV超高压电站主变压器参数见表2-8～表2-12。

图2-34　500kV单相自耦变压器绕组联结与出线示意图

图2-35　三相变压器联结组标号(YN,a0,d11)

表2-8　主变压器本体设备参数

续表

表2-9　主变压器其他设备铭牌参数

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表2-10　500kV主变绕组电阻测量

续表

表2-11　500kV主变绝缘电阻、电容、介损测量,外施耐压试验数据

续表

表2-12　500kV主变负载损耗、阻抗电压测量数据