发电机和干式变压器电气绝缘系统的最新发展

发电机和干式变压器电气绝缘系统的较新发展作者：匿名2008/5/8 19336016336011

渠道：关键字：发电和输电系统中使用的高压设备正在不断发展，以降低生产成本和提高效率。较近要求尽量减少对环境的影响。在这些设备中，较重要的性能是绝缘。为了使绝缘系统安全可靠地运行，绝缘材料的性能、制造工艺和绝缘结构是较重要的课题。在过去的几十年里，高压绝缘系统发生了一系列的变化。绝缘材料已经被改进以增加电场强度。例如，旋转电机的接地工作电压在过去20年中翻了一番。引入了新的绝缘介质。比如SF6的应用导致了SF6断路器、GIS、GIT等的发展。优异的绝缘性能和先进的技术使其适用于高压电缆、绝缘子等高压设备。较近，现有技术被应用到一个新的领域。用于输配电的高压电缆技术，在和中作为高压绕组使用，产生了新型高压：PowerformerTM，新型风力发电系统：WindformerTM和无油电源：DryformerTM。本文将详细介绍这种绝缘系统的较新发展，重点比较传统设备和新设备的绝缘结构和绝缘特性。电力电缆技术电力电缆技术历史悠久，从20世纪80年代开始广泛应用。20世纪初，使用绝缘电缆的良好地下电气化设施已经建成。在较初的电缆中，空气是主要的绝缘介质，其他地下电缆设备使用天然橡胶、古塔胶、油和石蜡、大麻、棉花、松香和沥青，然后用矿物油浸渍纸。随着对电压的要求越来越高，充油电缆被开发出来以防止间隙中的局部放电。2021-01-12年，输配电系统主要使用两大电力电缆：液体浸渍纸电缆和挤压聚合物电缆。挤塑电缆绝缘始于热塑性聚乙烯，但很快被占据整个行业的化学交联聚乙烯(XLPE)所取代。目前，交联聚乙烯广泛应用于地下配电系统。由于这项技术的巨大进步，它很快转向干式变压器的应用领域。如今，电力电缆的主要部件由导体、绝缘和护套组成，内外有两层半导电层。导体由多股铜或铝线制成，然后覆盖绝缘材料，较后在绝缘材料外增加金属护套。电缆技术对DryformerTM和PowerformerTTM的新应用是传统XLPE电缆的绝缘系统，具有丰富的运行经验，但不需要金属屏蔽和护套。在这种应用中，高压电缆的绕组由导体、内半导体层、固体电介质和外半导体层组成，在传统电缆术语中通常称为电缆芯。该电缆的材料和加工工艺与高压电缆技术中使用的相同。这样，其实完全等同于输配电系统常用的电缆。如同在电缆系统中一样，新的应用也需要电缆接头和端子，因为电缆和电缆附件控制着电缆缠绕系统的总成本，所以可以对接头的总数做出较佳选择。但是适配器总是用在不同绝缘尺寸的电缆之间，适配器的位置主要取决于可用空间，各种情况也不一样。将这种高压电缆技术应用于发电机和干式变压器是新绝缘概念的核心，这为这类设备提高运行性能提供了新的可能性。在传统发电机中，定子绕组由方形绝缘导体棒组成。在过去的20年里，虽然对地工作电压有所增加，但绝缘材料和系统的变化相对较小。对于导体外采用云母带并浸渍环氧树脂或聚酯树脂的发电机，电流工作场强为2.5 kV/mm。对于采用云母带的绝缘系统，在制造过程中保持绝缘系统无空隙非常重要，但机械应力和热循环会导致空隙的形成。因此， #p#分页标题#e#

此外，在绕组端部区域必须采取复杂的措施来控制电场强度，避免局部放电和电晕。传统发电机的这种设计原理使其输出电压不超过30~35kV，而输电电压已经达到800kV甚至更高。基于传统发电机的发电厂往往需要使用升压干式变压器。与传统发电机不同，PowerformerTM的绕组由挤压成型的XLPE电缆组成，可以避免传统绝缘结构的电场不均匀性。电缆绕组为圆柱形导体，沿导体表面电场分布均匀，其定子槽可加工成适合屏蔽绝缘电缆绕组的形状。目前这种应用方式下的XLPE绝缘工作场强可达15kV/mm，与现有500kV电缆设施相当。因此，这种新型发电机使得在没有升压干式变压器的情况下构建能够直接连接到输电系统电压标准的高压发电机成为可能，并且还降低了功率损耗并提高了效率。PowerformerTM将电力、热应力、机械应力和磁应力分开，使这些基本设计参数可以先立优化选择，相关材料可以改进。1998年春，额定功率为45kV、11MVA和600r/m的原型发电机在瑞典北部的波居斯水电站投入运行。其他三台发电机要么在运行，要么在建设中。它们是额定容量为136千伏、42兆伏安和3000转/分的涡轮发电机，以及额定容量为155千伏、75兆伏安和125兆伏安的水力发电机.WindformerTM基于WindformerTM技术，一种新的风力发电系统windformertm较近已在位于近海和沿海地区的风电场中开发出来。风力发电机组的典型额定功率为3~5MW。风力发电机组的基本设计特点是定子采用高压电缆绕组(基本原理可从风力发电机组获得)、转子采用永磁体、转子与汽轮机直接耦合(无齿轮箱)、DC集流系统。风力发电机

TM的设计在电气回路方面均达到较佳化。例如，在每个定子槽内安装两排电缆绕组，每相的整个绕组由一根电缆组成，也就是说不需要电缆接头。通常，WindformerTM被安装在海上或近海岸。因此，WindformerTM所用的全部材料要仔细选择，以防止在严酷环境条件下金属部件生锈，电介质老化。·DryformerTM在传统电力干式变压器中，绝缘系统主要由矿物油和纤维素纸组成，事实证明这个组合具有突出的介电性能和热性能。从绝缘系统方面看，这是一种非常有效的组合，纸和油本身的介电强度分别达到40和12kV/mm，而该组合的介电强工为64kV/mm。然而，对干式变压器而言，由于各种原因，其工作场强只允许1.5kV/mm。油/纸绝缘也有不足之处，例如有着火和爆炸的危险、油喷溅的危险等等。传统干式变压器的油/纸绝缘系统，只有经非常彻底的处理过程，才能得到良好的介电性能。在自然状态，纸或纸板典型的含有5～10的潮气，因此，较好步处理过程是在高温（高达130℃）和真空下的完全干燥过程，以使潮气含量降低到约0.5；第二步处理过程是对工作部件（铁芯、绕组、固定块和引线）进行真空浸渍，使矿物油达到且充满绝缘系统的所有空隙。单单完全干燥所需时间可能就要两个星期。因此，科技开发人员对电力干式变压器的“干式设计”具有极大的兴趣。现有的两种类型是绝缘为SF6气体干式变压器和用模塑环氧玻璃纤维材料做成的干式变压器。SF6气体绝缘干式变压器的电压等级可以达到275kV。随环保要求的提高，人们希望找到一种SF6的替代物。以模塑环氧玻璃纤维绝缘的干式变压器，较高的电压等级只有36kV左右，主要是因为内部场强超过了局部放电起始电压。因为较新推出的干式变压器DrvformerTM既不含油，也不用纸，不存在与可燃性油有关的危险，也不需要昂贵的完全干透过程。传统干式变压器和DrvformerTM之间的差距不仅在绝缘材料，而且在绝缘结构上。对传统的电力干式变压器，绝缘系统由两部分组成：主绝缘和匝间绝缘。主绝缘是绕组和接地部件之间的绝缘，包括油、纸和纸板。主绝缘不仅必须承受因雷电和断路器开关产生的瞬时过电压，还必须承受交流电应力。对匝间绝缘，其设计要求主要是瞬时过电压的影响。对匝间绝缘模型的电场分析表明，电场强度在绕组边缘之间的油隙中大大增加。对用电缆绕组的DrvformerTM不存在这样的问题，因为外半导电层是接地的，电缆绕组的绝缘只须起传统干式变压器中主绝缘的作用。另外，高压电缆技术与干式变压器技术的组合可以呈现将各种零部件的功能分新型设计。例如，在传统干式变压器中，绝缘系统的介电强度、绕组的机械强度和耐热极限互相依存，而在新技术中，不同功能性可以先立做到较佳状态。较好台DrvformerTM机组是52/17kV，10MVA单相干式变压器，建造的主要目的是概念演示和验证设计思路。第二台是为BirkaEnergi－瑞典的公用事业创造的商用机组，容量为20MVA，140/6.6kV，安被安装在Lottefors水电站。第三台也已安装完毕。高压电缆绕组的一般特性1、电场强度2、电缆表面接地外层地点的接触电阻十分重要。外半导电层的电阻率必须要在某一范围：电阻率太高，会引起半导电层两接触点之间的电位太高；电阻率太低，会导致半导电层中的功率损失增大。半导电层和接地系统之间保持良好接触也很重要。带屏蔽绝缘的绕组对新型发电机和干式变压器Y连接的电缆绕组而言，在交流电压下，电场强度沿电缆绕组的直线端部到中性点逐渐降低。因此为尽量减少绝缘的使用量，电缆绕组可以用几段不同绝缘厚度的高压电缆组成。沿绕组的冲击电压分布与在交流电压下不同，每段电缆的绝缘强度必须能承受作用于端部的部分瞬时过电压，绝缘厚度也必须考虑这个情况。工作场强应当注意，电缆技术的应用简化了发电机和干式变压器的绝缘设计。如今的电缆绝缘材料和生产技术（例如干法交联、超净生产和三重挤出）可以制得工作场强15kV/mm以上的可靠的电缆。在新型发电机和干式变压器的绝缘设计中，目前，工作场强控制在10Kv/mm左右，这是根据实际情况在考虑中的电压范围内选定。在将来，将引入更高的电场强度。这样高的电场强度对基于云母和环氧的传统油绝缘是不可能达到的。绕组电缆沿导体表面的均匀电场分布，因此电缆的绝缘被充分利用。机械方面，为避免因振动而引起外半导电层的磨损，PowerformerTM在电缆和槽壁之间的间隙垫入硅橡胶三角带，使电缆绕组牢固地固定在槽内。由硅橡胶衬垫提供的固定力还能适应电缆绝缘热膨胀的要求，同时也使外半导电层与接地的定子铁芯保持良好接触。与PowerformerTM，WinformerTM在槽部设计和缠绕方法上有自己的特点，其中之一是每个槽内有两排电缆绕组，因此将电缆固定在槽内采用了不同的方法。对DryformerTM，电缆绕组的外半导电层的电阻率目前约为40Ω-cm，为控制表面电位，电缆绕组的外表面每匝有一个点交流接地。热方面由于PowerformerTM定子绕组电缆中的电流很小，因此欧姆损耗与铁耗的比率要比传统发电机低得多，大部分热量是由处于地电位的定子铁心产生，这样大大简化了冷却系统。在PowerformerTM定子铁芯中安装水冷却回路，使系统保持在可接受的温度值。PowerformerTM目前设计的电缆导体的额定运行温度为70℃，低于XLPE电缆的运行温度，通常XLPE电缆绝缘材料的额定值是连续运行条件下90℃，这就是说PowerformerTM具有过载能力。在传统干式变压器中，用油既作为绝缘，又作为冷却媒质，因此，两种功能之间具有不可分割的联系。然而对DryformerTM而言，介电绝缘和冷却之间联系极小，可以优化选择空冷或水冷系统，只要能使运行温度保持在规定值之内。结论云母/环氧和油/纤维素纸统治旋转电机和电力干式变压器的绝缘系统已有100多年的历史。然而近几年来，XLPE电缆已被引入发电机和干式变压器作为高压绕组用，这样就导致新型发电机（PowerformerTM）、新型风力发电系统（WindformerTM）和新型干式变压器（DryformerTM）的产生。新型高压发电机和干式变压器具有效率高、寿命长及对环境影响小等特点，这给予高压设备设计新的可能性，所推出的产品代表了高压电磁学利用Maxwell议程中的潜能的可能性。( 来源：佳工机电网#p#分页标题#e#