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电机和电力变压器的绝缘系统

时间:2010-02-28 09:44 来源:未知

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。

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。

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。

电力电缆技术

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。

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。

·PowerformerTM

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。

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。

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

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。

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。

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

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。