1000kV 特高压变压器绝缘水平的进一步探讨

1000kV特高压变压器绝缘水平的进一步探讨

李光范，张翠霞，李金忠，李博，王晓宁，杜澍春，葛栋

（中国电力科学研究院，北京市 海淀区，100192）

摘要：对于特高压交流输电工程，1000kV特高压交流变压器是最重要的关键设备，是特高压工程建设和运行的重要保证。特高压变压器有三个绕组（中、低压绕组为500kV 和110kV电压等级），本文对1000kV特高压变压器三个绕组之间的过电压和绝缘配置进行了深入探讨，以期进一步完善特高压系统的绝缘配置、改善特高压变压器抵御过电压的能力和运行工况；并充分利用避雷器技术的发展成果，推荐了1000kV变压器500kV侧高性能避雷器的参数，以提升500kV电压等级系统的绝缘水平，为改进变压器的结构设计及容量提升创造条件。

关键词：特高压；变压器；绝缘配合

1 引言

中国第一条1000kV晋东南－南阳－荆门特高压交流试验示范工程于2008年12月建成并通过系统调试的全部试验，2009年1月6日顺利投入商业运行。首条特高压交流试验示范工程的成功投运必将加快中国建设特高压电网的步伐。

围绕着特高压交流试验示范工程的建设，众多科研院所、制造厂和大专院校开展了大量的技术研究和课题攻关，得到了许多有价值的科研成果并成功应用于工程实践，为特高压试验示范工程的顺利建成投运发挥了重要的技术支撑作用[1][2]。为促使后续特高压工程建设的技术水平和经济性得到进一步提高和发展，有必要对一些关键技术问题进行更深入的研究。

对于特高压交流输电工程，1000kV特高压交流变压器是最重要的关键设备之一.。由于特高压变压器的运输限界问题，它的设计和制造水平制约着特高压输电工程的送电能力和建设规模，乃至工程的整体设计和造价，而特高压变压器的安全可靠性更是特高压工程安全运行的重要保证。

变压器内有不同电压等级的多个绕组。这些绕组间通过磁链的紧密耦合，使电能得以在不同的电回路中传递，以实现传输和分配电能的目的。变压器不仅把能量在各绕组间传输，同时也能把各种过电压通过绕组相互传递。一般来说，操作冲击过电压和工频暂时过电压在变压器绕组中是按变比传

递。而中国1000kV特高压交流等级的绝缘配合原则不同于更低电压等级，其绝缘水平也不是500kV的简单放大，而是经过优化设计的[3]。在一台特高压变压器内部有三个绕组且各绕组电压等级的绝缘配合原则不一致，因此必须深入研究解决过电压在各绕组间传递时对变压器内绝缘、对连接到各端子上的其他设备绝缘水平及保护能力的影响，以便做到：一完善特高压系统的绝缘配置；二改善变压器抵御过电压的能力和运行工况；三充分利用避雷器技术的发展成果提升500kV电压等级系统的绝缘水平；四为改进变压器的结构设计及容量提升创造条件。

2 问题的提出

2.1 绕组之间的绝缘配合

1000kV特高压交流变压器型式为单相三绕组 结构，高、中、低压端额定电压分别为1050kV/3、

525kV/3、110kV。变压器类设备内绝缘的耐受电 压是以避雷器的操作冲击、雷电冲击保护水平为基础，同时乘一配合系数（安全裕度），用惯用法加以确定。对于特高压变压器，其高、中、低压三端的过电压水平、绝缘水平和避雷器参数[4][5] [6]的选择原则都不相同，具体参数见表2-1：

表2-1 1000kV变压器三个绕组的绝缘水平

变压器

操作冲击

避雷器参数（kV） 过电压

绝缘水平kV

额定电压操作残压1000kV侧 1.6 p.u. 1800 828 1460 500kV侧 2.0 p.u. 1175 420

858

110kV侧 /

/

158 301

从上表的数据可见，1000kV变压器高、中、低压端的绝缘配合尺度是不一样的，以高压和中压来说，500kV侧的过电压水平为2.0 p.u.，避雷器的保护水平约为1.9 p.u.。

如此配合就会带来这样的问题，即：来自500kV侧低于1.9 p.u.的过电压会直接传递到1000kV侧，若没有1000kV避雷器的保护，该侧的操作过电压水平可达1.9 p.u（为1700kV），超过1000kV侧的

2 1000kV特高压变压器绝缘水平的进一步探讨

过电压水平的1.6 p.u，为此，1000kV避雷器必须动作进行保护。

从首条特高压交流试验示范工程的系统调试过电压测试数据可见，在500kV侧进行合空变操作时，在1000kV产生的操作过电压较高，为1.54 p.u（1382kV）[7]，接近设计允许值的1.6 p.u。

由此可见，由于500kV侧的过电压保护尺度低，将会使一些发生在500kV侧的较高的操作过电压作用到1000kV侧，而让1000kV侧的避雷器来承担。尽管特高压变压器1000kV的绝缘水平和避雷器的能量耐受能力能够承受，但这样会增加特高压变压器1000kV侧遭受操作过电压冲击的几率，并加大1000kV侧避雷器的负担，对高压变压器1000kV的绝缘和避雷器不利。 2.2 降低500kV绝缘水平的意义

我国500kV电网的雷电和操作冲击水平设计为1550kV和1175kV，这是基于早期避雷器的制造水平[4][8]而提出的。近年来，我国避雷器的制造水平和性能指标有了大幅度的提高，500kV电网用避雷器的压比水平（U20kA/U1mA）已由1.83降低到1.7。这样，在500kV电网工程实践中可以选用更低的避雷器保护水平，带来的优越性如下：

(1) 有助于降低特高压交流变压器500kV侧的过电压水平，使来自500kV侧的操作过电压应由500kV侧避雷器进行，从而阻止较高的操作过

电压作用到1000kV侧，以减轻1000kV侧的负担。

(2) 可以进一步降低特高压交流变压器500kV侧的绝缘水平。特高压变压器因容量大，为减少单柱容量而多采用多柱并联结构（中日均采用三柱并联结构），高压中部出线，绕组首末端均为500kV[9][10][11]。因此，绕组间联线结构、首末端绝缘及500kV出线结构非常复杂，对绝缘、结构及尺寸设计影响很大。降低500kV侧的绝缘水平，可以优化和改进特高压变压器的内部结构、从而减小变压器的尺寸，有利于提高变压器容量。

(3) 可以进一步抑制500kV中压侧的雷电侵入波传递到低压侧的传递过电压。

实际上，在特高压交流变压器的500kV侧采取有效措施来过电压和降低绝缘水平，在技术上更加容易实现，且代价会更低，特别是这样会大大减轻1000kV侧的负担（特别是针对操作过电压冲击而言），将会使1000kV侧的绝缘裕度更大、运行更加安全、使用寿命更长。也就是说，用较小的代价可以获得很大的效益，我们认为这样的绝缘配合

更加经济合理，且安全可靠。

（4）可以使绝缘试验更加规范化。500kV电压等级的操作冲击耐受电压为1175kV、短时工频耐受电压为630kV[12][13]。对特高压变压器而言，由于1000kV电压等级绝缘水平的优化且因工频和操作波在绕组间是按变比传递，因此不能按规范的操作波和工频试验电压来考核500kV侧的绝缘设计（第三绕组的工频试验同样存在此类问题）[14]。降低500kV侧的绝缘水平，可以使试验电压更加接近规范要求。

3 实施技术的探讨

本节就降低特高压变压器500kV侧绝缘水平的技术方案进行分析和探讨：

3.1 降低特高压变压器500kV侧绝缘水平的预期值

1000kV特高压示范工程变压器高、中压侧采用的绝缘水平见表3-1。

表3-1 特高压示范工程采用的绝缘水平

变压器

操作冲击耐压

(kV)

雷电冲击耐压 (kV)

1000 kV 高压侧 1800 2250 500 kV 中压侧 1175 1550 高、中压侧之比 1.53

1.45

从表3-1的数据可知，1000kV特高压变压器高压1000kV侧与中压500kV侧的变比是2，而高、中压侧操作冲击和雷电冲击绝缘水平之比分别为1.53和1.45。为了使变压器绕组之间的冲击绝缘水平之比与变比接近，需要降低500kV侧绝缘水平，现推荐降低500kV侧绝缘水平的预期值见表3-2，同时给出了降低绝缘水平后的变压器绕组之间的冲击绝缘水平之比。

表3-2 降低特高压变压器绝缘水平的预期值

变压器 操作冲击耐压 (kV)

雷电冲击耐压 (kV)

1000 kV 高压侧1800 2250 500 kV 中压侧 950或1050 1300

高、中压侧之比

1.或1.71 1.73

可见，如果将特高压变压器中压侧的绝缘水平进一步降低为表3-2的预期值，这样，高、中压侧操作冲击和雷电冲击绝缘水平之比分别为1./1.71和1.73，其特高压绝缘水平之比与变压器的变比相接近。

3.2 降低1000kV特高压变压器500kV侧绝缘水平的实施方案

变电站设备绝缘配合方法：

2009特高压输电技术国际会议论文集 3

电气设备内绝缘的操作、雷电冲击耐受电压是以避雷器的操作、雷电冲击保护水平为基础，考虑一配合系数(安全裕度)，采用惯用法加以确定。

内绝缘：参照IEC标准规定[15]，变电站设备的绝缘配合系数：操作冲击绝缘配合系数取1.15；雷电冲击绝缘配合系数取1.15，还需要考虑保护距离因素，特高压工程是再引入一裕度系数1.15。

外绝缘：参照IEC标准，对电气设备(变压器、高压并联电抗器、开关设备)外绝缘的操作冲击和雷电冲击的绝缘配合系数均取1.05。考虑有关的距离因素和海拔高度引起的气象条件变化对于电气设备外绝缘放电电压的校正之后，对于1000m及以上地区特高压电气设备外绝缘的耐受电压可取该设备内绝缘相应耐受电压的同一值。

可见，变压器设备的操作冲击绝缘水平主要取决于避雷器的操作冲击保护水平，雷电冲击绝缘水平主要取决于避雷器的雷电冲击保护水平和避雷器的安装位置。因此，为了进一步降低特高压变压器500kV侧的绝缘水平，必须选择高性能的避雷器。高性能的避雷器的初选方案有三：

(1) 选用750kV系统用避雷器的技术方案 若在500kV侧选用750kV系统用避雷器的技术，以中国某避雷器公司产品为例，750kV系统用避雷器的电阻片为Ф100mm（现在500kV系统用避雷器的电阻片为Ф75mm），其保护性能[16]见表3-3，根据新避雷器的保护性能进行绝缘配合，500kV侧的配合裕度间表3-3。这种技术方案，避雷器的体积和造价不会有太大的增加。

表3-3 选用750kV系统用避雷器技术方案

避雷器参数 系统 最高工作电压电压 (kV,有效) 额定电压 2kA操作残压20kA雷电(kV,有效) (kV,峰值) 残压(kV,峰值) 750kV 800/3 600 1142 1380 UHV 500kV侧 550/3 413 785 949 UHV变压器500kV侧的绝缘配合 设备绝缘水平(kV) 操作：950或1050 雷电：1300 绝缘配合裕度 操作：1.21或1.34 操作：1.37 (2) 选用UHV系统用避雷器的技术方案 为了进一步降低500kV侧的绝缘水平，也可在500kV侧选用1000kV特高压系统用避雷器，即4柱并联结构，其保护性能见表3-4，根据新避雷器的保护性能进行绝缘配合，500kV侧的配合裕度见表3-4。这种技术方案，避雷器的体积和造价有较

大的增加。

表3-4 选用UHV系统用避雷器技术方案

系统 最高工作电压避雷器参数 电压 (kV,有效) 额定电压 2kA操作残压 20kA雷电残(kV,有效) (kV,峰值) 压(kV,峰值)1000kV 800/3 828 1460 1620 UHV 500kV侧 550/3 413 730 810 UHV变压器500kV侧的绝缘配合 设备绝缘水平(kV) 操作：950或1050 雷电：1300 绝缘配合裕度 操作：1.30或1.44 操作：1.60 从表3-3和表3-4中的绝缘配合情况可知，两种技术方案都能满足绝缘配合的要求，相对而言，选用750kV系统用避雷器的技术，绝缘配合裕度相对较低，但避雷器的体积和造价增加不多；若选用4柱并联的1000kV系统用避雷器的技术，绝缘配合裕度虽然增加，但避雷器的体积和造价增加较大，不太经济合理。

（3）提出新规范的500kV避雷器参数

综上所述，推荐1000kV变压器500kV侧避雷器参数见表3-5。

表3-5 推荐的1000kV变压器500kV侧避雷器参数

1000kV变压器500kV避雷器参数

额定电压(kV,有效)

2kA操作残压(kV，20kA雷电残压(kV，

峰值)

峰值)

414 785 950 4 结论

(1) 进一步降低特高压交流变压器500kV侧的过电压水平，使来自500kV侧的操作过电压应由500kV侧避雷器进行，从而阻止较高的操作过电压作用到1000kV侧，以减轻1000kV侧的负担。

(2) 进一步降低特高压交流变压器500kV侧的绝缘水平，可以优化、改进特高压交流变压器的内部结构、从而减小变压器阻抗和尺寸，对提高变压器容量等方面都具有非常重大的意义。

(3) 进一步降低特高压交流变压器500kV侧的绝缘水平，可以进一步抑制500kV中压侧的雷电侵入波传递到低压侧的传递过电压。

(4) 进一步降低特高压交流变压器500kV侧的绝缘水平的技术措施，可选用750kV系统用避雷器的技术，使绝缘配合裕度较低，且避雷器的体积和造价增加不多。

参考文献

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作者简介：

李光范（1955-），男，吉林，硕士，教授级高工，从事电力系统变压器及过电压与绝缘配合等方面的研究