特高壓交流變壓器的工程應用及創新發展

摘 要：特高壓交流變壓器是特高壓交流輸電工程的核心設備之一，從設計、制造、試驗和運輸等方面分析了我國1000 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用情況，以及在關鍵原材料、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的不斷發展，特高壓變壓器技術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) 等一系列創新產品的特點及適用場合。工程應用表明：我國特高壓變壓器技術先進、運行可靠。最后，對特高壓變壓器的性能提升、組部件國產化及運行維護方面做了展望。

關鍵詞：特高壓;變壓器;國產化;工程應用;創新發展

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鍵設備之一，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、系統位置重要，需要長期在全電壓、大功率下安全穩定的商業化運行。因此，特高壓變壓器必須具有與其重要性相適應的高可靠性。特高壓變壓器達到了現有設計、制造的極限，需要承受高強度、極不均勻的電、磁、熱、力聯合作用，由于受制造、運輸等條件嚴格限制，尺寸和重量不能簡單線性放大，需要在材料、結構和技術等方面實現新突破。

與常規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，導致變壓器內部高場強區激增，顯著加大了電、磁、熱和機械設計難度與質量控制難度。國家電網公司自2005 年以來組織國內相關科研院所和制造企業開展聯合攻關，攻克了特高壓變壓器研制及應用所涉及的一系列難題，實現了特高壓交流輸電技術在我國的工程應用。自2009 年1 月世界上第一條投入商業化運行的“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。

隨著特高壓電網的快速發展，對特高壓變壓器提出了更高要求。在特高壓變壓器關鍵原材料、組部件方面需實現國產化，提高特高壓設備的國產化水平;在特高壓變壓器技術水平和應用場合方面，需要提高特高壓輸電容量和經濟性，解決特高壓變壓器在交通不便地區應用時無法運輸的難題等。為了滿足特高壓電網發展需要，國家電網公司聯合國內科研院所和制造企業開展聯合攻關，研制出特高壓變壓器用硅鋼片、高壓出線裝置、高壓套管等，實現了特高壓變壓器關鍵原材料和組部件的國產化;此外，在工程用特高壓變壓器的基礎上，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新成果，豐富了變壓器特高壓產品體系，滿足了我國特高壓電網的發展需要。本文在闡述我國特高壓變壓器主要特點的基礎上，介紹了國內特高壓變壓器的工程應用情況及特高壓變壓器的創新發展成果。

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)，采用分體結構，由主體變壓器( 簡稱主變) 和調壓補償變壓器( 簡稱調變) 兩部分組成，主變和調變之間通過油- 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，在產品設計、制造、運輸及試驗方面均有其自身特點。

1.1 設計特點

特高壓變壓器在油箱、鐵心結構、調壓方式、絕緣設計、漏磁和機械設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 油箱分體結構

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

1.1.2 鐵心結構

特高壓變壓器鐵心有三主柱、兩旁軛和兩主柱、兩旁軛兩種結構如圖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、兩旁軛結構，每柱容量334 MVA，跟常規500 kV/334 MVA 單相自耦變壓器單柱容量相同，具有成熟的經驗可借鑒，具有可靠性高的特點。此外，采用三主柱結構時變壓器的高度可控制在常規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、兩旁軛結構的特高壓變壓器，跟三主柱結構相比，節省材料，體積和質量更小，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構圖

1.1.3 調壓方式

特高壓變壓器分無勵磁調壓( 調壓范圍為±4×1.25%) 和有載調壓( 調壓范圍為±10×0.5%) 兩種調壓方式。有載調壓可更好地解決特高壓電網無功電壓控制難題，提高特高壓電網運行靈活性。兩種調壓類型的特高壓變壓器均為主變和調變分箱布置結構，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 絕緣設計

特高壓變壓器主絕緣設計需計算各種試驗工況下主絕緣結構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計重點計算高壓繞組餅間絕緣強度、各繞組縱絕緣結構優化設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計

特高壓變壓器內部電場、磁場分布復雜，需對變壓器整體磁場分布進行計算，應重點分析鐵心和油箱結構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，油箱結構復雜，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節涉及關鍵原材料、組部件、工裝設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、結構設計、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 工裝設備

特高壓變壓器超大、超重，對制造工裝設備提出了更高的要求。例如，鐵心制作需要400 t 以上的翻轉臺，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，需350 t 橋式起重機才能吊起主變器身等。

1.2.3 工藝控制

特高壓變壓器生產工藝要求更加嚴格，例如：生產車間對溫濕度、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、熱油循環以及對絕緣油質量指標要求更高。

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耐壓試驗(ACLD)加壓程序比國家標準的規定更加嚴格，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量可知，無論是兩柱結構還是三柱結構，變壓器運輸寬度均超過4 m，高度接近5 m，主變運輸質量超過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量

2、特高壓變壓器的工程應用

2.1 我國特高壓變壓器的應用概況

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用概況

我國特高壓變壓器研制及應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，雙柱結構特高壓變壓器首次投入工程應用。

(2) 示范應用階段：2013 年9 月，世界上首個商業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壓式特高壓變壓器。

(3) 規模化應用階段：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進入規模化建設階段。

2.2 關鍵原材料、組部件國產化應用

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鍵原材料、組部件，由于國內制造水平所限，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發展的技術瓶頸，國內科研單位和制造企業聯合攻克了原材料、組部件的技術參數、結構設計、工藝控制和檢驗試驗等關鍵技術，實現了國產硅鋼片、1000 kV 出線裝置、1000 kV 套管等在后續特高壓工程中的應用。

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

圖3 國產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，結構簡潔、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電抗器真型試驗，打破了國外技術壟斷，自皖電東送工程以來已實現工程應用。

(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外空白，見圖5。

圖4 國產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1100 kV 特高壓套管

2.3 特高壓變壓器標準化成果

經過近十年的努力，我國全面掌握了特高壓交流輸電核心技術，特高壓設備國產化率超過90%，特高壓交流電壓成為國際標準。目前，已發布特高壓變壓器相關國家標準3 項、國際標準1 項。其中，特高壓變壓器相關國際標準是對我國特高壓交流技術創新成果的高度總結與認可，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展

隨著我國特高壓電網的建設，特高壓變壓器技術不斷發展，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

隨著特高壓電網的進一步發展，大型電廠采用特高壓輸電技術接入電網，可減少中間升壓環節，縮短電氣距離，節約土地資源和工程投資，進一步發揮特高壓輸電的優勢，促進能源基地集約開發和能源資源優化配置。我國自主研制的DFP-400 000/1000 特高壓發電機升壓變壓器由發電機出口電壓27 kV 直接升壓到1000 kV，減少了輸電中間環節，節約了輸電走廊，降低線損、提高了電網的穩定性。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架的建設，考慮到某些地區存在集中大負荷，而該地區附近沒有500 kV 電網，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，為特高壓骨干網架與220 kV 電網直連提供技術儲備。采用特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器，可以方便地將220 kV 系統接入特高壓骨干網，充分利用現有220 kV 電網資源，節省電網投資，與常規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、節省設備投資、降低損耗、提高輸電效率。但是，經研究論證，特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器應用場合需要滿足一定條件，才能在經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。目前，特高壓1000 kV 降壓220 kV 變壓器還沒有開展工程應用。

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濟性，具有重要的應用前景。

3.4 解體式特高壓變壓器

隨著特高壓工程在不同區域的建設，尤其是在山區或運輸條件受限區域，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計，變壓器可實現解體運輸，具有器身緊湊、運輸重量小、運輸成本低等優點，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的特高壓變壓器產品系列。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用。

3.5 特高壓變壓器技術展望

前期工程用特高壓變壓器優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能力的逐步提升，特高壓變壓器的整體性能將會不斷優化提升。國產特高壓變壓器用關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化水平和經濟性。

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用的逐步成熟和變壓器智能化技術的進步，在現有局部放電在線監測、油中溶解氣體在線監測和鐵心接地電流在線監測等在線監測技術和紫外光譜、聲電聯合等帶電檢測技術的基礎上，可將智能控制、大數據和云計算等先進智能技術應用于特高壓變壓器的運行控制中，研制出具有關鍵性能參數全時監測、自適應調節功能的特高壓變壓器，進一步提高特高壓輸電可靠性。

4、結論

(1) 我國完全具備1000 kV 特高壓交流變壓器自主設計和制造能力，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、組部件國產化方面取得重要突破;

(3) 隨著特高壓電網的規模化建設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新成果，有力地支撐了我國特高壓交流電網建設。