特高壓交流變壓器的工程應(yīng)用及創(chuàng)新發(fā)展

摘 要：特高壓交流變壓器是特高壓交流輸電工程的核心設(shè)備之一，從設(shè)計、制造、試驗和運輸?shù)确矫娣治隽宋覈?000 kV 特高壓交流輸電工程用變壓器的主要特點。介紹了我國特高壓交流變壓器的工程應(yīng)用情況，以及在關(guān)鍵原材料、組部件方面取得的突破，特高壓變壓器標準化方面取得的成果等。

隨著我國特高壓電網(wǎng)的不斷發(fā)展，特高壓變壓器技術(shù)水平取得了長足進步，重點分析了特高壓升壓變壓器、特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器、特高壓大容量變壓器和解體運輸、現(xiàn)場組裝式特高壓變壓器( 以下簡稱解體式特高壓變壓器) 等一系列創(chuàng)新產(chǎn)品的特點及適用場合。工程應(yīng)用表明：我國特高壓變壓器技術(shù)先進、運行可靠。最后，對特高壓變壓器的性能提升、組部件國產(chǎn)化及運行維護方面做了展望。

關(guān)鍵詞：特高壓;變壓器;國產(chǎn)化;工程應(yīng)用;創(chuàng)新發(fā)展

引言

1000 kV 單相油浸式自耦電力變壓器( 以下簡稱“特高壓變壓器”) 是特高壓交流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備之一，其直接影響特高壓交流輸電工程能否安全可靠運行。我國特高壓工程輸電容量大、系統(tǒng)位置重要，需要長期在全電壓、大功率下安全穩(wěn)定的商業(yè)化運行。因此，特高壓變壓器必須具有與其重要性相適應(yīng)的高可靠性。特高壓變壓器達到了現(xiàn)有設(shè)計、制造的極限，需要承受高強度、極不均勻的電、磁、熱、力聯(lián)合作用，由于受制造、運輸?shù)葪l件嚴格限制，尺寸和重量不能簡單線性放大，需要在材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)等方面實現(xiàn)新突破。

與常規(guī)500kV/250 MVA 單相自耦變壓器相比，特高壓變壓器的電壓提高1 倍，容量提高3 倍，但受運輸、外形尺寸的限制，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部高場強區(qū)激增，顯著加大了電、磁、熱和機械設(shè)計難度與質(zhì)量控制難度。國家電網(wǎng)公司自2005 年以來組織國內(nèi)相關(guān)科研院所和制造企業(yè)開展聯(lián)合攻關(guān)，攻克了特高壓變壓器研制及應(yīng)用所涉及的一系列難題，實現(xiàn)了特高壓交流輸電技術(shù)在我國的工程應(yīng)用。自2009 年1 月世界上第一條投入商業(yè)化運行的“晉東南—南陽—荊門”特高壓交流輸電工程投運以來，我國已建成8個特高壓交流輸電工程，累計投入運行的特高壓變壓器超過100 臺( 截止2017 年11 月)，運行時間最長的特高壓變壓器已超過8 年，充分驗證了特高壓變壓器的性能。

隨著特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，對特高壓變壓器提出了更高要求。在特高壓變壓器關(guān)鍵原材料、組部件方面需實現(xiàn)國產(chǎn)化，提高特高壓設(shè)備的國產(chǎn)化水平;在特高壓變壓器技術(shù)水平和應(yīng)用場合方面，需要提高特高壓輸電容量和經(jīng)濟性，解決特高壓變壓器在交通不便地區(qū)應(yīng)用時無法運輸?shù)碾y題等。為了滿足特高壓電網(wǎng)發(fā)展需要，國家電網(wǎng)公司聯(lián)合國內(nèi)科研院所和制造企業(yè)開展聯(lián)合攻關(guān)，研制出特高壓變壓器用硅鋼片、高壓出線裝置、高壓套管等，實現(xiàn)了特高壓變壓器關(guān)鍵原材料和組部件的國產(chǎn)化;此外，在工程用特高壓變壓器的基礎(chǔ)上，先后研制( 或論證) 了特高壓升壓變壓器、特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器、特高壓1500 MVA 大容量變壓器和解體式特高壓變壓器等一系列創(chuàng)新成果，豐富了變壓器特高壓產(chǎn)品體系，滿足了我國特高壓電網(wǎng)的發(fā)展需要。本文在闡述我國特高壓變壓器主要特點的基礎(chǔ)上，介紹了國內(nèi)特高壓變壓器的工程應(yīng)用情況及特高壓變壓器的創(chuàng)新發(fā)展成果。

1、特高壓變壓器的特點

我國特高壓交流輸電工程使用的特高壓變壓器為單相、油浸和自耦變壓器( 見圖1)，采用分體結(jié)構(gòu)，由主體變壓器( 簡稱主變) 和調(diào)壓補償變壓器( 簡稱調(diào)變) 兩部分組成，主變和調(diào)變之間通過油- 空氣套管在外部進行連接。

特高壓變壓器與超高壓變壓器相比，在產(chǎn)品設(shè)計、制造、運輸及試驗方面均有其自身特點。

1.1 設(shè)計特點

特高壓變壓器在油箱、鐵心結(jié)構(gòu)、調(diào)壓方式、絕緣設(shè)計、漏磁和機械設(shè)計等方面有其自身特點。

圖1 特高壓變壓器外形示意圖

1.1.1 油箱分體結(jié)構(gòu)

特高壓變壓器容量大、繞組多、絕緣水平高，導(dǎo)致變壓器質(zhì)量和體積都很大。特高壓變壓器采用主變和調(diào)變分體結(jié)構(gòu)，可保證在調(diào)變故障時，變壓器本體仍可單獨運行。因此，采用分體結(jié)構(gòu)可以減小變壓器本體的體積和重量，便于制造和運輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.1.2 鐵心結(jié)構(gòu)

特高壓變壓器鐵心有三主柱、兩旁軛和兩主柱、兩旁軛兩種結(jié)構(gòu)如圖2 所示。我國前期特高壓交流輸電工程所用特高壓變壓器鐵心采用三主柱、兩旁軛結(jié)構(gòu)，每柱容量334 MVA，跟常規(guī)500 kV/334 MVA 單相自耦變壓器單柱容量相同，具有成熟的經(jīng)驗可借鑒，具有可靠性高的特點。此外，采用三主柱結(jié)構(gòu)時變壓器的高度可控制在常規(guī)500 kV 變壓器水平，便于運輸。皖電東送工程及以后采用了兩主柱、兩旁軛結(jié)構(gòu)的特高壓變壓器，跟三主柱結(jié)構(gòu)相比，節(jié)省材料，體積和質(zhì)量更小，便于運輸。

(a) 三柱兩旁軛 (b) 兩柱兩旁軛

圖2 特高壓變壓器兩種鐵心結(jié)構(gòu)圖

1.1.3 調(diào)壓方式

特高壓變壓器分無勵磁調(diào)壓( 調(diào)壓范圍為±4×1.25%) 和有載調(diào)壓( 調(diào)壓范圍為±10×0.5%) 兩種調(diào)壓方式。有載調(diào)壓可更好地解決特高壓電網(wǎng)無功電壓控制難題，提高特高壓電網(wǎng)運行靈活性。兩種調(diào)壓類型的特高壓變壓器均為主變和調(diào)變分箱布置結(jié)構(gòu)，外形相似，兩種特高壓變壓器的主變具有完全的互換性。

1.1.4 絕緣設(shè)計

特高壓變壓器主絕緣設(shè)計需計算各種試驗工況下主絕緣結(jié)構(gòu)油隙及電極表面場強，按無起始局部放電場強進行嚴格控制。特高壓變壓器縱絕緣設(shè)計重點計算高壓繞組餅間絕緣強度、各繞組縱絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和繞組沖擊電壓特性分析等。

1.1.5 防止局部過熱和機械強度設(shè)計

特高壓變壓器內(nèi)部電場、磁場分布復(fù)雜，需對變壓器整體磁場分布進行計算，應(yīng)重點分析鐵心和油箱結(jié)構(gòu)件及其屏蔽中的漏磁、渦流損耗分布，通過溫升試驗和滿負載運行驗證防止局部過熱措施的有效性。特高壓變壓器體積大，油箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需耐受全真空和120 kPa正壓試驗及長距離運輸考驗。

1.2 制造特點

特高壓變壓器制造環(huán)節(jié)涉及關(guān)鍵原材料、組部件、工裝設(shè)備和工藝控制等方面。

1.2.1 原材料、組部件

絕緣紙板( 成型件)、高壓出線裝置、高壓套管和硅鋼片等關(guān)鍵原材料，組部件是特高壓變壓器能否研制成功的基本條件。特高壓變壓器用絕緣紙板需具有很高的機械強度、尺寸穩(wěn)定性及耐熱老化性能;高壓出線裝置用于1000 kV 高壓出線部位，場強非常集中，對其絕緣強度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械性能等要求極高;1100 kV 高壓油紙電容式套管長度接近14 m，設(shè)計、制造及考核難度極大，不僅要求極高的絕緣強度，而且要有足夠的機械強度。

1.2.2 工裝設(shè)備

特高壓變壓器超大、超重，對制造工裝設(shè)備提出了更高的要求。例如，鐵心制作需要400 t 以上的翻轉(zhuǎn)臺，線圈繞制需要40 t 立式繞線機，器身干燥需要600 kW氣相干燥系統(tǒng)，需350 t 橋式起重機才能吊起主變器身等。

1.2.3 工藝控制

特高壓變壓器生產(chǎn)工藝要求更加嚴格，例如：生產(chǎn)車間對溫濕度、降塵量需要嚴格控制;絕緣干燥時間、溫度和真空度比常規(guī)變壓器干燥工藝要求更嚴;變壓器裝配完成后抽真空、真空注油、注油速率、熱油循環(huán)以及對絕緣油質(zhì)量指標要求更高。

1.3 試驗特點

特高壓變壓器試驗項目多，試驗難度大，尤其是絕緣試驗中的雷電沖擊試驗和局部放電試驗。特高壓變壓器入口電容增大，使得雷電沖擊試驗電壓的波前時間拉長，需解決波前時間過長、減小電壓過沖的難題。特高壓變壓器帶局部放電測量的長時感應(yīng)耐壓試驗(ACLD)加壓程序比國家標準的規(guī)定更加嚴格，且局部放電限值要求更低。特高壓變壓器體積大，試驗回路復(fù)雜，局放試驗電壓高、對電源及屏蔽措施要求嚴格，局部放電試驗干擾排除和內(nèi)部局部放電定位更加困難。

1.4 運輸特點

由表1 特高壓變壓器運輸尺寸和質(zhì)量可知，無論是兩柱結(jié)構(gòu)還是三柱結(jié)構(gòu)，變壓器運輸寬度均超過4 m，高度接近5 m，主變運輸質(zhì)量超過340 t，特高壓變壓器超大、超重，運輸困難。

表1 特高壓變壓器運輸尺寸和質(zhì)量

2、特高壓變壓器的工程應(yīng)用

2.1 我國特高壓變壓器的應(yīng)用概況

自2009 年我國首條特高壓交流輸電工程投運以來，先后有多條特高壓交流輸電工程投入運行，充分檢驗了特高壓變壓器的性能，見表2。

表2 我國特高壓變壓器應(yīng)用概況

我國特高壓變壓器研制及應(yīng)用可分以下幾個階段。

(1) 試驗示范階段：2009 年1 月，“晉東南—南陽—荊門”特高壓交流試驗示范工程正式建成投運，所用特高壓變壓器均為單相自耦油浸式無勵磁變壓器。2011 年12 月，特高壓試驗示范工程擴建工程建成投運，雙柱結(jié)構(gòu)特高壓變壓器首次投入工程應(yīng)用。

(2) 示范應(yīng)用階段：2013 年9 月，世界上首個商業(yè)化運行的同塔雙回特高壓交流輸電工程——“皖電東送”特高壓交流工程正式建成投運，該工程世界首次采用了有載調(diào)壓式特高壓變壓器。

(3) 規(guī)模化應(yīng)用階段：2014 年12 月，“浙北—福州”特高壓交流輸電工程正式投運，標志著我國特高壓交流電網(wǎng)進入規(guī)模化建設(shè)階段。

2.2 關(guān)鍵原材料、組部件國產(chǎn)化應(yīng)用

高壓出線裝置、高壓套管、硅鋼片和絕緣紙板等是特高壓變壓器的關(guān)鍵原材料、組部件，由于國內(nèi)制造水平所限，前期特高壓交流試驗示范工程用特高壓變壓器所用硅鋼片、出線裝置和套管等完全依靠進口。為突破制約我國特高壓交流輸電技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，國內(nèi)科研單位和制造企業(yè)聯(lián)合攻克了原材料、組部件的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝控制和檢驗試驗等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了國產(chǎn)硅鋼片、1000 kV 出線裝置、1000 kV 套管等在后續(xù)特高壓工程中的應(yīng)用。

(1) 我國已成功研制特高壓變壓器用優(yōu)質(zhì)取向硅鋼片，技術(shù)性能和批量質(zhì)量控制水平與進口硅鋼片相當(dāng)，已在“皖電東送”特高壓輸電工程得到應(yīng)用，打破了長期依賴進口的局面，見圖3。

圖3 國產(chǎn)特高壓變壓器用硅鋼片

(2) 我國自主研制的特高壓變壓器( 電抗器) 用1000kV 標準化通用出線裝置見圖4，結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高，與瑞士魏德曼相比多做了電氣絕緣和機械振動裕度試驗，并通過了特高壓變壓器和并聯(lián)電抗器真型試驗，打破了國外技術(shù)壟斷，自皖電東送工程以來已實現(xiàn)工程應(yīng)用。

(3) 我國自主研制的1100 kV 油紙電容式套管在“浙北—福州”特高壓交流輸變電工程中得到應(yīng)用，一舉打破國外公司長期以來對國際特高壓套管的壟斷局面。此外，我國研制的1100 kV 干式油氣套管填補了國內(nèi)外空白，見圖5。

圖4 國產(chǎn)1000 kV 通用出線裝置

(a) 1100 kV 油浸式套管

(b) 1100 kV 干式油氣套管

圖5 國產(chǎn)1100 kV 特高壓套管

2.3 特高壓變壓器標準化成果

經(jīng)過近十年的努力，我國全面掌握了特高壓交流輸電核心技術(shù)，特高壓設(shè)備國產(chǎn)化率超過90%，特高壓交流電壓成為國際標準。目前，已發(fā)布特高壓變壓器相關(guān)國家標準3 項、國際標準1 項。其中，特高壓變壓器相關(guān)國際標準是對我國特高壓交流技術(shù)創(chuàng)新成果的高度總結(jié)與認可，填補了特高壓變壓器國際標準的空白。

3、特高壓變壓器的新發(fā)展

隨著我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，特高壓變壓器技術(shù)不斷發(fā)展，先后研制( 或研究) 了特高壓升壓變壓器、特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器、特高壓1500 MVA 大容量變壓器和解體運輸、現(xiàn)場組裝式特高壓變壓器。

3.1 特高壓升壓變壓器

隨著特高壓電網(wǎng)的進一步發(fā)展，大型電廠采用特高壓輸電技術(shù)接入電網(wǎng)，可減少中間升壓環(huán)節(jié)，縮短電氣距離，節(jié)約土地資源和工程投資，進一步發(fā)揮特高壓輸電的優(yōu)勢，促進能源基地集約開發(fā)和能源資源優(yōu)化配置。我國自主研制的DFP-400 000/1000 特高壓發(fā)電機升壓變壓器由發(fā)電機出口電壓27 kV 直接升壓到1000 kV，減少了輸電中間環(huán)節(jié)，節(jié)約了輸電走廊，降低線損、提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。特高壓升壓變壓器已在安徽平圩電廠投入使用，見圖6。

圖6 平圩電廠用特高壓升壓變壓器

3.2 特高壓交流1000 kV 降壓220 kV 變壓器隨著我國特高壓交流骨干網(wǎng)架的建設(shè)，考慮到某些地區(qū)存在集中大負荷，而該地區(qū)附近沒有500 kV 電網(wǎng)，在此情況下有必要研究特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器的可行性，為特高壓骨干網(wǎng)架與220 kV 電網(wǎng)直連提供技術(shù)儲備。采用特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器，可以方便地將220 kV 系統(tǒng)接入特高壓骨干網(wǎng)，充分利用現(xiàn)有220 kV 電網(wǎng)資源，節(jié)省電網(wǎng)投資，與常規(guī)1000kV 降壓500 kV，再由500 kV 降壓220 kV 相比，省去一級降壓過程，可減少占地、節(jié)省設(shè)備投資、降低損耗、提高輸電效率。但是，經(jīng)研究論證，特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器應(yīng)用場合需要滿足一定條件，才能在經(jīng)濟性和短路電流之間獲得平衡， 即特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器適用于負荷量大、負荷密度高，且本地電源容量相對較小的地區(qū)。目前，特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器還沒有開展工程應(yīng)用。

3.3 特高壓交流大容量變壓器

我國研制的1000 kV、1500 MVA 大容量單相油浸式自耦變壓器，見圖7。

圖7 保變生產(chǎn)的特高壓大容量變壓器

與1000 kV、1000 MVA 單相油浸式自耦變壓器相比，容量增大50%、重量僅增加20%。單臺( 三相一組) 特高壓大容量變壓器額定容量達到4500 MVA，解決了變電和輸電能力匹配的問題，與特高壓線路的自然輸送功率形成良好匹配，可進一步提高特高壓變電站的經(jīng)濟性，具有重要的應(yīng)用前景。

3.4 解體式特高壓變壓器

隨著特高壓工程在不同區(qū)域的建設(shè)，尤其是在山區(qū)或運輸條件受限區(qū)域，特高壓變壓器的運輸受限問題日益凸顯。為了解決特高壓變壓器運輸問題，采用解體式特高壓變壓器成為最佳解決方案。解體式特高壓變壓器采用模塊化設(shè)計，變壓器可實現(xiàn)解體運輸，具有器身緊湊、運輸重量小、運輸成本低等優(yōu)點，有效解決了特高壓變壓器的運輸問題。我國已成功研制了可整體運輸、局部解體運輸和全部解體運輸?shù)奶馗邏鹤儔浩鳟a(chǎn)品系列。全部解體式特高壓變壓器最大運輸部件重量不超過80 t，運輸尺寸高度由4.99 m 降低到4.5 m，完全滿足公路運輸限界要求，運輸不再成為限制特高壓變壓器應(yīng)用的瓶頸。1000 MVA 解體式特高壓變壓器已在“榆橫—濰坊”特高壓交流工程晉中站得到應(yīng)用。

3.5 特高壓變壓器技術(shù)展望

前期工程用特高壓變壓器優(yōu)先考慮變壓器的運行可靠性，隨著特高壓變壓器的制造水平和原材料研發(fā)能力的逐步提升，特高壓變壓器的整體性能將會不斷優(yōu)化提升。國產(chǎn)特高壓變壓器用關(guān)鍵原材料和組部件在得到長期運行考核后，將逐漸替代進口原材料和組部件，進一步提高特高壓變壓器的國產(chǎn)化水平和經(jīng)濟性。

圖8 晉中站特高壓解式體變壓器

隨著特高壓變壓器工程應(yīng)用的逐步成熟和變壓器智能化技術(shù)的進步，在現(xiàn)有局部放電在線監(jiān)測、油中溶解氣體在線監(jiān)測和鐵心接地電流在線監(jiān)測等在線監(jiān)測技術(shù)和紫外光譜、聲電聯(lián)合等帶電檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，可將智能控制、大數(shù)據(jù)和云計算等先進智能技術(shù)應(yīng)用于特高壓變壓器的運行控制中，研制出具有關(guān)鍵性能參數(shù)全時監(jiān)測、自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的特高壓變壓器，進一步提高特高壓輸電可靠性。

4、結(jié)論

(1) 我國完全具備1000 kV 特高壓交流變壓器自主設(shè)計和制造能力，已建成六條特高壓交流輸電工程，累計投入運行的特高壓變壓器超過100 臺，充分驗證了特高壓變壓器的性能;

(2) 我國在特高壓變壓器用硅鋼片、1000 kV 出線裝置、1100 kV 套管等原材料、組部件國產(chǎn)化方面取得重要突破;

(3) 隨著特高壓電網(wǎng)的規(guī)模化建設(shè)及特高壓變壓器制造水平的提升，我國相繼研制了特高壓升壓變壓器、特高壓大容量變壓器和解體式特高壓變壓器等特高壓系列創(chuàng)新成果，有力地支撐了我國特高壓交流電網(wǎng)建設(shè)。