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發(fā)電機(jī)和變壓器電氣絕緣系統(tǒng)的發(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，zui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zui主要的話題,。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*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zui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)體由多股銅或鋁線做成,，然后用絕緣材料覆蓋該導(dǎo)體，zui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*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*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)較小。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?，F(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*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),，zui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*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*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*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,，*步處理過(guò)程是在高溫（高達(dá)130℃）和真空下的*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）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*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,，zui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)橥瞥龅母墒阶儔浩鱀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*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*狀態(tài),。
*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,。然而對(duì)DryformerTM而言,，介電絕緣和冷卻之間極小，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,。