發(fā)電機(jī)和干式變壓器電氣絕緣系統(tǒng)的較新發(fā)展作者：匿名2008/5/8 19336016336011

渠道：關(guān)鍵字：發(fā)電和輸電系統(tǒng)中使用的高壓設(shè)備正在不斷發(fā)展，以降低生產(chǎn)成本和提高效率。較近要求盡量減少對環(huán)境的影響。在這些設(shè)備中，較重要的性能是絕緣。為了使絕緣系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，絕緣材料的性能、制造工藝和絕緣結(jié)構(gòu)是較重要的課題。在過去的幾十年里，高壓絕緣系統(tǒng)發(fā)生了一系列的變化。絕緣材料已經(jīng)被改進(jìn)以增加電場強(qiáng)度。例如，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的接地工作電壓在過去20年中翻了一番。引入了新的絕緣介質(zhì)。比如SF6的應(yīng)用導(dǎo)致了SF6斷路器、GIS、GIT等的發(fā)展。優(yōu)異的絕緣性能和先進(jìn)的技術(shù)使其適用于高壓電纜、絕緣子等高壓設(shè)備。較近，現(xiàn)有技術(shù)被應(yīng)用到一個(gè)新的領(lǐng)域。用于輸配電的高壓電纜技術(shù)，在和中作為高壓繞組使用，產(chǎn)生了新型高壓：PowerformerTM，新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：WindformerTM和無油電源：DryformerTM。本文將詳細(xì)介紹這種絕緣系統(tǒng)的較新發(fā)展，重點(diǎn)比較傳統(tǒng)設(shè)備和新設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣特性。電力電纜技術(shù)電力電纜技術(shù)歷史悠久，從20世紀(jì)80年代開始廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)初，使用絕緣電纜的良好地下電氣化設(shè)施已經(jīng)建成。在較初的電纜中，空氣是主要的絕緣介質(zhì)，其他地下電纜設(shè)備使用天然橡膠、古塔膠、油和石蠟、大麻、棉花、松香和瀝青，然后用礦物油浸漬紙。隨著對電壓的要求越來越高，充油電纜被開發(fā)出來以防止間隙中的局部放電。2021-01-12年，輸配電系統(tǒng)主要使用兩大電力電纜：液體浸漬紙電纜和擠壓聚合物電纜。擠塑電纜絕緣始于熱塑性聚乙烯，但很快被占據(jù)整個(gè)行業(yè)的化學(xué)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)所取代。目前，交聯(lián)聚乙烯廣泛應(yīng)用于地下配電系統(tǒng)。由于這項(xiàng)技術(shù)的巨大進(jìn)步，它很快轉(zhuǎn)向干式變壓器的應(yīng)用領(lǐng)域。如今，電力電纜的主要部件由導(dǎo)體、絕緣和護(hù)套組成，內(nèi)外有兩層半導(dǎo)電層。導(dǎo)體由多股銅或鋁線制成，然后覆蓋絕緣材料，較后在絕緣材料外增加金屬護(hù)套。電纜技術(shù)對DryformerTM和PowerformerTTM的新應(yīng)用是傳統(tǒng)XLPE電纜的絕緣系統(tǒng)，具有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但不需要金屬屏蔽和護(hù)套。在這種應(yīng)用中，高壓電纜的繞組由導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)體層、固體電介質(zhì)和外半導(dǎo)體層組成，在傳統(tǒng)電纜術(shù)語中通常稱為電纜芯。該電纜的材料和加工工藝與高壓電纜技術(shù)中使用的相同。這樣，其實(shí)完全等同于輸配電系統(tǒng)常用的電纜。如同在電纜系統(tǒng)中一樣，新的應(yīng)用也需要電纜接頭和端子，因?yàn)殡娎|和電纜附件控制著電纜纏繞系統(tǒng)的總成本，所以可以對接頭的總數(shù)做出較佳選擇。但是適配器總是用在不同絕緣尺寸的電纜之間，適配器的位置主要取決于可用空間，各種情況也不一樣。將這種高壓電纜技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和干式變壓器是新絕緣概念的核心，這為這類設(shè)備提高運(yùn)行性能提供了新的可能性。在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中，定子繞組由方形絕緣導(dǎo)體棒組成。在過去的20年里，雖然對地工作電壓有所增加，但絕緣材料和系統(tǒng)的變化相對較小。對于導(dǎo)體外采用云母帶并浸漬環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂的發(fā)電機(jī)，電流工作場強(qiáng)為2.5 kV/mm。對于采用云母帶的絕緣系統(tǒng)，在制造過程中保持絕緣系統(tǒng)無空隙非常重要，但機(jī)械應(yīng)力和熱循環(huán)會導(dǎo)致空隙的形成。因此， #p#分頁標(biāo)題#e#

此外，在繞組端部區(qū)域必須采取復(fù)雜的措施來控制電場強(qiáng)度，避免局部放電和電暈。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的這種設(shè)計(jì)原理使其輸出電壓不超過30~35kV，而輸電電壓已經(jīng)達(dá)到800kV甚至更高?；趥鹘y(tǒng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電廠往往需要使用升壓干式變壓器。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同，PowerformerTM的繞組由擠壓成型的XLPE電纜組成，可以避免傳統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)的電場不均勻性。電纜繞組為圓柱形導(dǎo)體，沿導(dǎo)體表面電場分布均勻，其定子槽可加工成適合屏蔽絕緣電纜繞組的形狀。目前這種應(yīng)用方式下的XLPE絕緣工作場強(qiáng)可達(dá)15kV/mm，與現(xiàn)有500kV電纜設(shè)施相當(dāng)。因此，這種新型發(fā)電機(jī)使得在沒有升壓干式變壓器的情況下構(gòu)建能夠直接連接到輸電系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)的高壓發(fā)電機(jī)成為可能，并且還降低了功率損耗并提高了效率。PowerformerTM將電力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和磁應(yīng)力分開，使這些基本設(shè)計(jì)參數(shù)可以先立優(yōu)化選擇，相關(guān)材料可以改進(jìn)。1998年春，額定功率為45kV、11MVA和600r/m的原型發(fā)電機(jī)在瑞典北部的波居斯水電站投入運(yùn)行。其他三臺發(fā)電機(jī)要么在運(yùn)行，要么在建設(shè)中。它們是額定容量為136千伏、42兆伏安和3000轉(zhuǎn)/分的渦輪發(fā)電機(jī)，以及額定容量為155千伏、75兆伏安和125兆伏安的水力發(fā)電機(jī).WindformerTM基于WindformerTM技術(shù)，一種新的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)windformertm較近已在位于近海和沿海地區(qū)的風(fēng)電場中開發(fā)出來。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型額定功率為3~5MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)是定子采用高壓電纜繞組(基本原理可從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得)、轉(zhuǎn)子采用永磁體、轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī)直接耦合(無齒輪箱)、DC集流系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)

TM的設(shè)計(jì)在電氣回路方面均達(dá)到較佳化。例如，在每個(gè)定子槽內(nèi)安裝兩排電纜繞組，每相的整個(gè)繞組由一根電纜組成，也就是說不需要電纜接頭。通常，WindformerTM被安裝在海上或近海岸。因此，WindformerTM所用的全部材料要仔細(xì)選擇，以防止在嚴(yán)酷環(huán)境條件下金屬部件生銹，電介質(zhì)老化?！ryformerTM在傳統(tǒng)電力干式變壓器中，絕緣系統(tǒng)主要由礦物油和纖維素紙組成，事實(shí)證明這個(gè)組合具有突出的介電性能和熱性能。從絕緣系統(tǒng)方面看，這是一種非常有效的組合，紙和油本身的介電強(qiáng)度分別達(dá)到40和12kV/mm，而該組合的介電強(qiáng)工為64kV/mm。然而，對干式變壓器而言，由于各種原因，其工作場強(qiáng)只允許1.5kV/mm。油/紙絕緣也有不足之處，例如有著火和爆炸的危險(xiǎn)、油噴濺的危險(xiǎn)等等。傳統(tǒng)干式變壓器的油/紙絕緣系統(tǒng)，只有經(jīng)非常徹底的處理過程，才能得到良好的介電性能。在自然狀態(tài)，紙或紙板典型的含有5～10的潮氣，因此，較好步處理過程是在高溫（高達(dá)130℃）和真空下的完全干燥過程，以使潮氣含量降低到約0.5；第二步處理過程是對工作部件（鐵芯、繞組、固定塊和引線）進(jìn)行真空浸漬，使礦物油達(dá)到且充滿絕緣系統(tǒng)的所有空隙。單單完全干燥所需時(shí)間可能就要兩個(gè)星期。因此，科技開發(fā)人員對電力干式變壓器的“干式設(shè)計(jì)”具有極大的興趣?，F(xiàn)有的兩種類型是絕緣為SF6氣體干式變壓器和用模塑環(huán)氧玻璃纖維材料做成的干式變壓器。SF6氣體絕緣干式變壓器的電壓等級可以達(dá)到275kV。隨環(huán)保要求的提高，人們希望找到一種SF6的替代物。以模塑環(huán)氧玻璃纖維絕緣的干式變壓器，較高的電壓等級只有36kV左右，主要是因?yàn)閮?nèi)部場強(qiáng)超過了局部放電起始電壓。因?yàn)檩^新推出的干式變壓器DrvformerTM既不含油，也不用紙，不存在與可燃性油有關(guān)的危險(xiǎn)，也不需要昂貴的完全干透過程。傳統(tǒng)干式變壓器和DrvformerTM之間的差距不僅在絕緣材料，而且在絕緣結(jié)構(gòu)上。對傳統(tǒng)的電力干式變壓器，絕緣系統(tǒng)由兩部分組成：主絕緣和匝間絕緣。主絕緣是繞組和接地部件之間的絕緣，包括油、紙和紙板。主絕緣不僅必須承受因雷電和斷路器開關(guān)產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓，還必須承受交流電應(yīng)力。對匝間絕緣，其設(shè)計(jì)要求主要是瞬時(shí)過電壓的影響。對匝間絕緣模型的電場分析表明，電場強(qiáng)度在繞組邊緣之間的油隙中大大增加。對用電纜繞組的DrvformerTM不存在這樣的問題，因?yàn)橥獍雽?dǎo)電層是接地的，電纜繞組的絕緣只須起傳統(tǒng)干式變壓器中主絕緣的作用。另外，高壓電纜技術(shù)與干式變壓器技術(shù)的組合可以呈現(xiàn)將各種零部件的功能分新型設(shè)計(jì)。例如，在傳統(tǒng)干式變壓器中，絕緣系統(tǒng)的介電強(qiáng)度、繞組的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱極限互相依存，而在新技術(shù)中，不同功能性可以先立做到較佳狀態(tài)。較好臺DrvformerTM機(jī)組是52/17kV，10MVA單相干式變壓器，建造的主要目的是概念演示和驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路。第二臺是為BirkaEnergi－瑞典的公用事業(yè)創(chuàng)造的商用機(jī)組，容量為20MVA，140/6.6kV，安被安裝在Lottefors水電站。第三臺也已安裝完畢。高壓電纜繞組的一般特性1、電場強(qiáng)度2、電纜表面接地外層地點(diǎn)的接觸電阻十分重要。外半導(dǎo)電層的電阻率必須要在某一范圍：電阻率太高，會引起半導(dǎo)電層兩接觸點(diǎn)之間的電位太高；電阻率太低，會導(dǎo)致半導(dǎo)電層中的功率損失增大。半導(dǎo)電層和接地系統(tǒng)之間保持良好接觸也很重要。帶屏蔽絕緣的繞組對新型發(fā)電機(jī)和干式變壓器Y連接的電纜繞組而言，在交流電壓下，電場強(qiáng)度沿電纜繞組的直線端部到中性點(diǎn)逐漸降低。因此為盡量減少絕緣的使用量，電纜繞組可以用幾段不同絕緣厚度的高壓電纜組成。沿繞組的沖擊電壓分布與在交流電壓下不同，每段電纜的絕緣強(qiáng)度必須能承受作用于端部的部分瞬時(shí)過電壓，絕緣厚度也必須考慮這個(gè)情況。工作場強(qiáng)應(yīng)當(dāng)注意，電纜技術(shù)的應(yīng)用簡化了發(fā)電機(jī)和干式變壓器的絕緣設(shè)計(jì)。如今的電纜絕緣材料和生產(chǎn)技術(shù)（例如干法交聯(lián)、超凈生產(chǎn)和三重?cái)D出）可以制得工作場強(qiáng)15kV/mm以上的可靠的電纜。在新型發(fā)電機(jī)和干式變壓器的絕緣設(shè)計(jì)中，目前，工作場強(qiáng)控制在10Kv/mm左右，這是根據(jù)實(shí)際情況在考慮中的電壓范圍內(nèi)選定。在將來，將引入更高的電場強(qiáng)度。這樣高的電場強(qiáng)度對基于云母和環(huán)氧的傳統(tǒng)油絕緣是不可能達(dá)到的。繞組電纜沿導(dǎo)體表面的均勻電場分布，因此電纜的絕緣被充分利用。機(jī)械方面，為避免因振動(dòng)而引起外半導(dǎo)電層的磨損，PowerformerTM在電纜和槽壁之間的間隙墊入硅橡膠三角帶，使電纜繞組牢固地固定在槽內(nèi)。由硅橡膠襯墊提供的固定力還能適應(yīng)電纜絕緣熱膨脹的要求，同時(shí)也使外半導(dǎo)電層與接地的定子鐵芯保持良好接觸。與PowerformerTM，WinformerTM在槽部設(shè)計(jì)和纏繞方法上有自己的特點(diǎn)，其中之一是每個(gè)槽內(nèi)有兩排電纜繞組，因此將電纜固定在槽內(nèi)采用了不同的方法。對DryformerTM，電纜繞組的外半導(dǎo)電層的電阻率目前約為40Ω-cm，為控制表面電位，電纜繞組的外表面每匝有一個(gè)點(diǎn)交流接地。熱方面由于PowerformerTM定子繞組電纜中的電流很小，因此歐姆損耗與鐵耗的比率要比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)低得多，大部分熱量是由處于地電位的定子鐵心產(chǎn)生，這樣大大簡化了冷卻系統(tǒng)。在PowerformerTM定子鐵芯中安裝水冷卻回路，使系統(tǒng)保持在可接受的溫度值。PowerformerTM目前設(shè)計(jì)的電纜導(dǎo)體的額定運(yùn)行溫度為70℃，低于XLPE電纜的運(yùn)行溫度，通常XLPE電纜絕緣材料的額定值是連續(xù)運(yùn)行條件下90℃，這就是說PowerformerTM具有過載能力。在傳統(tǒng)干式變壓器中，用油既作為絕緣，又作為冷卻媒質(zhì)，因此，兩種功能之間具有不可分割的聯(lián)系。然而對DryformerTM而言，介電絕緣和冷卻之間聯(lián)系極小，可以優(yōu)化選擇空冷或水冷系統(tǒng)，只要能使運(yùn)行溫度保持在規(guī)定值之內(nèi)。結(jié)論云母/環(huán)氧和油/纖維素紙統(tǒng)治旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電力干式變壓器的絕緣系統(tǒng)已有100多年的歷史。然而近幾年來，XLPE電纜已被引入發(fā)電機(jī)和干式變壓器作為高壓繞組用，這樣就導(dǎo)致新型發(fā)電機(jī)（PowerformerTM）、新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（WindformerTM）和新型干式變壓器（DryformerTM）的產(chǎn)生。新型高壓發(fā)電機(jī)和干式變壓器具有效率高、壽命長及對環(huán)境影響小等特點(diǎn)，這給予高壓設(shè)備設(shè)計(jì)新的可能性，所推出的產(chǎn)品代表了高壓電磁學(xué)利用Maxwell議程中的潛能的可能性。( 來源：佳工機(jī)電網(wǎng)#p#分頁標(biāo)題#e#