發(fā)電機(jī)和變壓器電氣絕緣系統(tǒng)的最新發(fā)展

用于發(fā)電和輸電系統(tǒng)的高壓設(shè)備正在繼續(xù)發(fā)展，以減低生產(chǎn)成本、提高效率，新近還要求盡可能減小對(duì)環(huán)境的影響。在這些設(shè)備中，最重要的性能是絕緣。為使絕緣系統(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)是最主要的話(huà)題。過(guò)去幾十年來(lái)，高壓絕緣系統(tǒng)發(fā)生了一系列變化。
　　絕緣材料已被改進(jìn)，以增加其所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度。例如，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的對(duì)地工作電壓，在過(guò)去的20年中約增加一倍。
　　新的絕緣介質(zhì)已被引入，例如，SF6的應(yīng)用導(dǎo)致SF6斷路器、GIS和GIT等的發(fā)展，優(yōu)良的絕緣性能和先進(jìn)的工藝使其能在高壓電纜、絕緣子和其它高壓設(shè)備上應(yīng)用。
　　新近，現(xiàn)有的技術(shù)已被應(yīng)用于一種新的領(lǐng)域，用于輸配電的高壓電纜技術(shù)，現(xiàn)已在發(fā)電機(jī)和變壓器中作為高壓繞組，致使一種新型的高壓發(fā)電機(jī)：PowerformerTM、新的風(fēng)力發(fā)電體系：WindformerTM和無(wú)油電力變壓器：DryformerTM由此而產(chǎn)生。
　　本文將詳細(xì)介紹這種發(fā)電機(jī)和變壓器絕緣系統(tǒng)的最新發(fā)展，特別著重于傳統(tǒng)的和新設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣特性之間的比較。
　　電力電纜技術(shù)
　　電力電纜技術(shù)已有很長(zhǎng)歷史，自19世紀(jì)80年代廣泛使用白熾照明系統(tǒng)就已開(kāi)始。20世紀(jì)初期，已建成良好的使用絕緣電纜的地下電氣化設(shè)施。
　　在最初的電纜中，空氣是主要的絕緣介質(zhì)，其它地下電纜設(shè)備采用諸如天然橡膠、杜仲膠、油和石蠟、麻、棉、松香和瀝青，后來(lái)用礦物油浸漬紙。隨著要求越來(lái)越高的電壓，為防止空隙內(nèi)發(fā)生局部放電，從而發(fā)展了充油電纜。今天，在輸配電系統(tǒng)中主要采用的兩大電力電纜：液體浸漬紙電纜和擠出聚合物電纜。擠出電纜絕緣先是從熱塑性聚乙烯開(kāi)始，但很快被化學(xué)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）取代，由此占領(lǐng)了整個(gè)行業(yè)。現(xiàn)在，XLPE普遍用于地下配電系統(tǒng)，由于這種技術(shù)的重大進(jìn)步，很快轉(zhuǎn)向變壓器應(yīng)用領(lǐng)域。
　　現(xiàn)今，電力電纜的主要部件是由導(dǎo)體、內(nèi)外有兩層半導(dǎo)電層的絕緣和護(hù)套組成。導(dǎo)體由多股銅或鋁線(xiàn)做成，然后用絕緣材料覆蓋該導(dǎo)體，最后在絕緣外加上金屬護(hù)套。
　　電纜技術(shù)的新應(yīng)用
　　應(yīng)用于DryformerTM和PowerformerTTM的，就是這種具有豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)XLPE電纜的絕緣系統(tǒng)，但不需要有金屬屏蔽和護(hù)套。在這種應(yīng)用中，高壓電纜繞組由導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)電層、固體電介質(zhì)和外半導(dǎo)電層組成，在傳統(tǒng)電纜術(shù)語(yǔ)中，通常被稱(chēng)之為電纜芯。該電纜的材料和加工工藝與高壓電纜技術(shù)中所采用的相同。這樣，實(shí)際上與通常使用于電力輸配電系統(tǒng)的電纜完全等同。
　　與在電纜系統(tǒng)中一樣，新應(yīng)用也要求有電纜接頭和終端，因?yàn)殡娎|和電纜附件控制了電纜繞組系統(tǒng)的總成本，因此對(duì)接頭的總數(shù)量可做最佳選擇。但是不同絕緣尺寸的電纜之間總是要用轉(zhuǎn)換接頭，接頭的位置主要取決于所具有的空間，各種情況也各不相同。
　　將這種高壓電纜技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和變壓器是新絕緣概念的核心，它賦予這種設(shè)備提高運(yùn)行性能新的可能性。
　　PowerformerTM
　　傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中，定子繞組由方形絕緣導(dǎo)體棒組成。過(guò)去20年來(lái)，雖然對(duì)地工作電壓已經(jīng)增加，但絕緣材料和系統(tǒng)的變化相對(duì)較校對(duì)在導(dǎo)體外使用云母帶，再用環(huán)氧或聚酯樹(shù)脂浸漬的發(fā)電機(jī)而言，如今的工作場(chǎng)強(qiáng)是2.5kV/mm。
　　對(duì)使用云母帶的絕緣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，非常重要的是在制造過(guò)程中要保持絕緣系統(tǒng)無(wú)空隙，但機(jī)械應(yīng)力和熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致空隙的形成。因此，隨電壓的增高，絕緣內(nèi)必定會(huì)出現(xiàn)局部放電。
　　傳統(tǒng)定子線(xiàn)棒的開(kāi)頭是長(zhǎng)方形的，這就導(dǎo)致導(dǎo)體表面的電場(chǎng)分布不均勻，轉(zhuǎn)角處的電場(chǎng)強(qiáng)度高。另外，在繞組端部區(qū)域，必須采取復(fù)雜措施，以控制電場(chǎng)強(qiáng)度，避免發(fā)生局部放電和電暈。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的這種設(shè)計(jì)原則使其輸出電壓不能超過(guò)30~35kV，而電力輸送的電壓已達(dá)到800kV，甚至更高，以傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的發(fā)電廠(chǎng)經(jīng)常需要用升壓變壓器。
　　與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相反，PowerformerTM的繞組是由擠出XLPE電纜組成，可以避免傳統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)不均勻性。電纜繞組是圓柱形導(dǎo)體，沿導(dǎo)體表面的電場(chǎng)分布均勻，其定子槽可以加工成適合帶有屏蔽絕緣的電纜繞組的形狀。現(xiàn)今，這種應(yīng)用方式的XLPE絕緣的工作場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到15kV/mm，和現(xiàn)有的500kV電纜設(shè)施所能達(dá)到的一樣。因此，新型發(fā)電機(jī)對(duì)建造直接能接到輸電系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)而不需升壓變壓器的高壓發(fā)電機(jī)提供了可能，而且還降低了功率損失，提高了效率。PowerformerTM<注：TM為上標(biāo)>將電力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和磁應(yīng)力分隔開(kāi)，這樣可以獨(dú)立最佳選擇這些基本設(shè)計(jì)參數(shù)，從而可以對(duì)與之相關(guān)的材料進(jìn)行改進(jìn)。
　　1998年春，額定45kV、11MVA和600r/m的發(fā)電機(jī)樣機(jī)，已在瑞典北部Porjus水電站投入運(yùn)行。另外三臺(tái)發(fā)電機(jī)或正在運(yùn)行，或正在建造。它們是額定容量為136kV、42MVA和3000r/m的汽輪發(fā)電機(jī)和155Kv、75MWA和125r/m的水力發(fā)電機(jī)。
　　WindformerTM
　　以WindformerTM技術(shù)為基礎(chǔ)，最近座落于近海和沿海區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)了新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)WindformerTM。
　　WindformerTM的典型額定功率是3~5MW。WindformerTM的基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)是定子用高壓電纜繞組（基本原理從PowerformerTM得到），轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，轉(zhuǎn)子與透平機(jī)直接偶合（無(wú)齒輪箱），以及直流集電系統(tǒng)。
　　WindformerTM的設(shè)計(jì)在電氣回路方面均達(dá)到最佳化。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(shuō)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。
　　DryformerTM
　　在傳統(tǒng)電力變壓器中，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(duì)變壓器而言，由于各種原因，其工作場(chǎng)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)變壓器的油/紙絕緣系統(tǒng)，只有經(jīng)非常徹底的處理過(guò)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，第一步處理過(guò)程是在高溫（高達(dá)130℃）和真空下的完全干燥過(guò)程，以使潮氣含量降低到約0.5%；第二步處理過(guò)程是對(duì)工作部件（鐵芯、繞組、固定塊和引線(xiàn)）進(jìn)行真空浸漬，使礦物油達(dá)到且充滿(mǎn)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(kāi)發(fā)人員對(duì)電力變壓器的“干式設(shè)計(jì)”具有極大的興趣。現(xiàn)有的兩種類(lèi)型是絕緣為SF6氣體變壓器和用模塑環(huán)氧玻璃纖維材料做成的變壓器。SF6氣體絕緣變壓器的電壓等級(jí)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)氧玻璃纖維絕緣的變壓器，最高的電壓等級(jí)只有36kV左右，主要是因?yàn)閮?nèi)部場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)了局部放電起始電壓。因?yàn)樽钚峦瞥龅母墒阶儔浩鱀rvformerTM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(guò)程。
　　傳統(tǒng)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(duì)傳統(tǒng)的電力變壓器，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(kāi)關(guān)產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓，還必須承受交流電應(yīng)力。對(duì)匝間絕緣，其設(shè)計(jì)要求主要是瞬時(shí)過(guò)電壓的影響。對(duì)匝間絕緣模型的電場(chǎng)分析表明，電場(chǎng)強(qiáng)度在繞組邊緣之間的油隙中大大增加。對(duì)用電纜繞組的DrvformerTM不存在這樣的問(wèn)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)變壓器中主絕緣的作用。
　　另外，高壓電纜技術(shù)與變壓器技術(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)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，不同功能性可以獨(dú)立做到最佳狀態(tài)。
　　第一臺(tái)DrvformerTM機(jī)組是52/17kV，10MVA單相變壓器，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(tái)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(tái)也已安裝完畢。
　　高壓電纜繞組的一般特性
　　1、電場(chǎng)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(huì)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(huì)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(duì)新型發(fā)電機(jī)和變壓器Y連接的電纜繞組而言，在交流電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度沿電纜繞組的直線(xiàn)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(guò)電壓，絕緣厚度也必須考慮這個(gè)情況。
　　工作場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)當(dāng)注意，電纜技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了發(fā)電機(jī)和變壓器的絕緣設(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(chǎng)強(qiáng)15kV/mm以上的可靠的電纜。在新型發(fā)電機(jī)和變壓器的絕緣設(shè)計(jì)中，目前，工作場(chǎng)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(lái)，將引入更高的電場(chǎng)強(qiáng)度。這樣高的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)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(shuō)PowerformerTM具有過(guò)載能力。
　　在傳統(tǒng)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(duì)DryformerTM而言，介電絕緣和冷卻之間聯(lián)系極小，可以?xún)?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)和電力變壓器的絕緣系統(tǒng)已有100多年的歷史。然而近幾年來(lái)，XLPE電纜已被引入發(fā)電機(jī)和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）和新型變壓器（DryformerTM）的產(chǎn)生。新型高壓發(fā)電機(jī)和變壓器具有效率高、壽命長(zhǎng)及對(duì)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。