发电机和变压器电气绝缘系统的最新发展

djde_2000

用于发电和输电系统的高压设备正在继续发展，以减低生产成本、提高效率，新近还要求尽可能减小对环境的影响。在这些设备中，最重要的性能是绝缘。为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最主要的话题。过去几十年来，高压绝缘系统发生了一系列变化。
     绝缘材料已被改进，以增加其所承受的电场强度。例如，旋转电机的对地工作电压，在过去的20年中约增加一倍。
" b- s1 w! c7 d: i# O  _) h! l# P     新的绝缘介质已被引入，例如，SF6的应用导致SF6断路器、GIS和GIT等的发展，优良的绝缘性能和先进的工艺使其能在高压电缆、绝缘子和其它高压设备上应用。
- e: S3 a" W8 s* G7 C6 ?3 l6 J+ t     新近，现有的技术已被应用于一种新的领域，用于输配电的高压电缆技术，现已在发电机和变压器中作为高压绕组，致使一种新型的高压发电机：PowerformerTM、新的风力发电体系：WindformerTM和无油电力变压器：DryformerTM由此而产生。
     本文将详细介绍这种发电机和变压器绝缘系统的最新发展，特别着重于传统的和新设备绝缘结构和绝缘特性之间的比较。
" j5 N1 T2 `* C5 h     电力电缆技术
! E0 ]" K1 N6 ~1 K& `4 x& M     电力电缆技术已有很长历史，自19世纪80年代广泛使用白炽照明系统就已开始。20世纪初期，已建成良好的使用绝缘电缆的地下电气化设施。
& u" |) X) v4 u* X3 R5 o     在最初的电缆中，空气是主要的绝缘介质，其它地下电缆设备采用诸如天然橡胶、杜仲胶、油和石蜡、麻、棉、松香和沥青，后来用矿物油浸渍纸。随着要求越来越高的电压，为防止空隙内发生局部放电，从而发展了充油电缆。今天，在输配电系统中主要采用的两大电力电缆：液体浸渍纸电缆和挤出聚合物电缆。挤出电缆绝缘先是从热塑性聚乙烯开始，但很快被化学交联聚乙烯（XLPE）取代，由此占领了整个行业。现在，XLPE普遍用于地下配电系统，由于这种技术的重大进步，很快转向变压器应用领域。
     现今，电力电缆的主要部件是由导体、内外有两层半导电层的绝缘和护套组成。导体由多股铜或铝线做成，然后用绝缘材料覆盖该导体，最后在绝缘外加上金属护套。电缆技术的新应用
     应用于DryformerTM和PowerformerTTM的，就是这种具有丰富运行经验的传统XLPE电缆的绝缘系统，但不需要有金属屏蔽和护套。在这种应用中，高压电缆绕组由导体、内半导电层、固体电介质和外半导电层组成，在传统电缆术语中，通常被称之为电缆芯。该电缆的材料和加工工艺与高压电缆技术中所采用的相同。这样，实际上与通常使用于电力输配电系统的电缆完全等同。
     与在电缆系统中一样，新应用也要求有电缆接头和终端，因为电缆和电缆附件控制了电缆绕组系统的总成本，因此对接头的总数量可做最佳选择。但是不同绝缘尺寸的电缆之间总是要用转换接头，接头的位置主要取决于所具有的空间，各种情况也各不相同。
     将这种高压电缆技术应用于发电机和变压器是新绝缘概念的核心，它赋予这种设备提高运行性能新的可能性。
" R- n5 n. ^: S     PowerformerTM
9 b. }) e& @& E4 j  d* y$ }+ `; `. }     传统发电机中，定子绕组由方形绝缘导体棒组成。过去20年来，虽然对地工作电压已经增加，但绝缘材料和系统的变化相对较小。对在导体外使用云母带，再用环氧或聚酯树脂浸渍的发电机而言，如今的工作场强是2.5kV/mm。
& o3 ~9 F0 r6 |( E     对使用云母带的绝缘系统来说，非常重要的是在制造过程中要保持绝缘系统无空隙，但机械应力和热循环会导致空隙的形成。因此，随电压的增高，绝缘内必定会出现局部放电。
- D9 W  e7 c4 L0 O+ ]6 \     传统定子线棒的开头是长方形的，这就导致导体表面的电场分布不均匀，转角处的电场强度高。另外，在绕组端部区域，必须采取复杂措施，以控制电场强度，避免发生局部放电和电晕。传统发电机的这种设计原则使其输出电压不能超过30~35kV，而电力输送的电压已达到800kV，甚至更高，以传统发电机为基础的发电厂经常需要用升压变压器。
     与传统发电机相反，PowerformerTM的绕组是由挤出XLPE电缆组成，可以避免传统绝缘结构的电场不均匀性。电缆绕组是圆柱形导体，沿导体表面的电场分布均匀，其定子槽可以加工成适合带有屏蔽绝缘的电缆绕组的形状。现今，这种应用方式的XLPE绝缘的工作场强可以达到15kV/mm，和现有的500kV电缆设施所能达到的一样。因此，新型发电机对建造直接能接到输电系统电压标准而不需升压变压器的高压发电机提供了可能，而且还降低了功率损失，提高了效率。PowerformerTM<注：TM为上标>将电力、热应力、机械应力和磁应力分隔开，这样可以独立最佳选择这些基本设计参数，从而可以对与之相关的材料进行改进。
     1998年春，额定45kV、11MVA和600r/m的发电机样机，已在瑞典北部Porjus水电站投入运行。另外三台发电机或正在运行，或正在建造。它们是额定容量为136kV、42MVA和3000r/m的汽轮发电机和155Kv、75MWA和125r/m的水力发电机。
WindformerTM
4 h, F/ i# U9 m& _) b2 y. i     以WindformerTM技术为基础，最近座落于近海和沿海区域的风场开发了新型的风力发电系统WindformerTM。
; l% C8 Z  [) _9 n: U! ^     WindformerTM的典型额定功率是3~5MW。WindformerTM的基本设计特点是定子用高压电缆绕组（基本原理从PowerformerTM得到），转子为永久磁铁，转子与透平机直接偶合（无齿轮箱），以及直流集电系统。
4 k2 g8 f3 w# z& H0 L     WindformerTM的设计在电气回路方面均达到最佳化。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
. ?2 K0 U1 ]& ]7 V3 g. W     在传统电力变压器中，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，第一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气体变压器和用模塑环氧玻璃纤维材料做成的变压器。SF6气体绝缘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变压器，最高的电压等级只有36kV左右，主要是因为内部场强超过了局部放电起始电压。因为最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变压器中主绝缘的作用。
/ G5 M$ _( d! }. j( }     另外，高压电缆技术与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，不同功能性可以独立做到最佳状态。
     第一台DrvformerTM机组是52/17kV，10MVA单相变压器，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。
( O* C- y# j, _4 {* E 高压电缆绕组的一般特性
     1、电场强度
% T0 A7 N7 c, L$ `     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。
/ }8 v/ k& K$ d, u% X) o     带屏蔽绝缘的绕组对新型发电机和变压器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。
+ W5 g6 D8 P: M* v. P; X( x3 H1 }     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。
: I" b  \- ^0 k7 a: R' b: ]& X     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
7 Q. o6 A$ ~0 E& T# z: [     云母/环氧和油/纤维素纸统治旋转电机和电力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）和新型变压器（DryformerTM）的产生。新型高压发电机和变压器具有效率高、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。