对于高压设备,绝缘设计是整体设计的一项重要内容,将直接影响设备整体的结构和性能。220kV/300MVA超导限流器的绝缘形式有干式绝缘、油浸绝缘、气体绝缘等几种形式。对于220kV超导限流器而言,因为高压绝缘距离很大,交流绕组采用普通干式空气绝缘是不可能的。可考虑交流绕组采用电缆线绕制,但电缆制作绕组的技术国内尚处于研制阶段,制作220kV的电缆绕组尚无先例和成熟的技术。气体绝缘形式对容器的密封性要求很高,国内外也只有很少的高压变压器或电抗器采用这种绝缘形式,同样缺乏可靠成熟的技术。因此在220kV超导限流器设计中采用传统可靠的方法——油浸绝缘。
油浸绝缘需要制作油箱。油箱的设计有两种方案:一种是整体油浸,做成整体大油箱,将所有设备器身进线排列方式讨论整体都置于油箱中,油箱材料为金属材料;另一种是部分油浸,做成小油箱,只把交流绕组等高压器件放在油箱中,而铁心、夹件、杜瓦等低压器件采取空气绝缘形式。两种方案各有利弊。
对于整体油浸形式,利弊如下:
1.优点
(1)整体油箱的结构设计简单,制作工艺成熟。
(2)设备不需要另外做保护外壳。
(3)接地方式简单。
2.缺点
(1)设备体积庞大,运输、安装困难。初步估计设备器身直径在6m左右,整体油箱将无法进行公路运输,必须采用分体运输,现场组装的方式安装。现场组装需要有吊装设备、简易厂房、安装工具等硬件设施,还需要清洁、干燥、真空等苛刻的安装条件,安装成本很高。
(2)油箱内的电绝缘受低温杜瓦的影响。杜瓦始终相当于油箱内冷源,尤其是杜瓦顶部及输液管道,电流引线等温度较低,造成靠近杜瓦周围油温低于其他空间油温,造成较大温度梯度。油温度低,绝缘强度下降,容易造成低温杜瓦电场偏高,电场分布不匀。
(3)杜瓦处于油箱内部,制冷系统一旦出现故障,很难进行维修。
(4)杜瓦管道出口较多与油箱连接的结构复杂,设计制作难度较大。
对于部分油浸形式,需要制作3个分体油箱,分别将3相交流绕组置于油箱内。为避免套在铁心柱上的油箱自身形成短路环,不能采用金属制作油箱。玻璃钢等非导电材料可以用来制作油箱。油箱内只安装有交流绕组,而铁心置于空气中。玻璃钢油箱用于高压电气设备上,国内仍没有成熟产品,设计时需重点考虑几个方面的问题:玻璃钢油箱的机械强度、密封性、散热、使用寿命。具体的优缺点如下。
1.优点
(1)大大减小设备体积,便于运输、安装。
(2)避免杜瓦浸在绝缘油中出现事故隐患。(www.xing528.com)
(3)避免金属油箱产生的涡流损耗。
(4)绝缘油用量大大减小,减少限流器现场运行油污染。
2.缺点
(1)油箱体积小,油箱附件布置难度大。
(2)油箱本身结构占据铁心窗口位置面积大。
(3)玻璃钢油箱中所有金属件都需统一接地,不能出现悬浮电位,工艺复杂。
(4)玻璃钢油箱的寿命相对较短。
(5)玻璃钢材料相对于钢件机械强度低,对温度范围要求严格,可能存在老化、脱层、局部蠕变等问题,导致结构失稳,油泄漏。
传统的整体油箱结构将铁心、交流绕组均放置在油箱内,可以大幅减少绝缘距离从而减小设备体积。在变压器等设备中,铁心与一次绕组、二次绕组的装配较紧密,很难实现仅将高压部分置于油箱的分体结构。而在超导限流器中,低压器件如杜瓦、铁心占用很大的空间,而且结构、功能上具有一定的独立性。交流绕组匝数较少,占用体积较小。这种结构形式若将整个设备器身都浸渍在绝缘油中,会导致设备整体过于庞大。同时,低温杜瓦与绝缘油也会有相互不利的影响,尤其是使低温系统的维护变的十分困难,系统可靠性降低。基于这些考虑,尽管玻璃钢分体油箱也存在一定的弊端,在220kV超导限流器的设计中还是选取这种方案。
上述提到玻璃钢油箱的5个关键问题中,前3个问题可以通过合理设计皆得到解决。针对玻璃钢使用寿命相对较短的问题,设计中采用耐高温、耐老化的树脂材料制作油箱,并使用防老化涂层,最大限度延长玻璃钢油箱的使用寿命。另外,玻璃钢油箱的结构特征和受力状况也是油箱老化的一个重要因素。玻璃钢油箱自身形状不规则,尤其在向内凹处经高温及油本身压力会有两个相反的力出现,这可能导致原材料产生温度翘变,造成脱层、局部蠕变等缺陷,导致整体结构失稳,甚至发生泄漏。为此,在制造过程中我们对玻璃钢原材料做了耐高温试验,温度为120℃,连续时间7天,试验结果表明,原材料在试验前后物性并无明显变化,该材料的高温性能满足使用要求。基于以上分析及测试,限流器采用了玻璃钢油箱的部分油浸式的整体结构。
由于空间布局限制,设计时把同相的两个交流绕组放置在一个玻璃钢油箱中,两个交流绕组串联在油箱内完成,把一相交流绕组的首尾两端引出油箱外,三相限流器共三个油箱,示意图如图4.11所示。
图4.11 限流器三相三油箱结构示意图
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