Technické vlastnosti aplikace a normy 500kV suchých paralelních reaktorů v Brazílii

1 Technické vlastnosti a referenční normy 500kV suchého shuntového reaktoru
1.1 Technické vlastnosti

500kV suchý shuntový reaktor, bezolejové elektrické zařízení pro systémy přenosu ultra-vysokého napětí, se pyšní klíčovými vlastnostmi jako pokročilá izolace, inovativní odvádění tepla, optimalizovaný elektromagnetický design a modulární struktura. Tyto výhody, které předčí tradiční olejové reaktory, také ovlivňují požadavky na nové technické normy.

• Pokročilá izolace: Použití lisování epoxidové hmoty a nanokompozitů (s nano-SiO₂ částicemi, které zvyšují průrazové napětí epoxidu o ~40% a počáteční napětí částečných výbojků o 25%) zlepšuje izolaci a odolnost proti částečným výbojkům. Tento průlom vyžaduje předefinici úrovní izolace a metod testování částečných výbojků v normách.

• Inovativní odvádění tepla: Kompozitní struktura (vícekanalové nucené chlazení vzduchem + fázově změnné materiály k odvádění tepla) udržuje teplotní stoupání horkého místního bodu do 60K (výrazně pod mezní hodnotami IEC, ověřeno pomocí metody konečných prvků a experimentů). Jsou potřebné nové metody/limity testování teplotního stoupání v normách.

• Optimalizovaný elektromagnetický design: Vícevrstvé posunuté cíve a gradientní izolace optimalizují rozložení elektrického pole, což zlepšuje odolnost proti krátkému zapojení. Metoda konečných prvků ukazuje snížení maximální síly elektrického pole ve cívách o ~20%. Normy by měly zahrnovat metody hodnocení rozložení elektrického pole a odolnosti proti krátkému zapojení.

• Modulární struktura: Složena ze sériově spojených identických základních jednotek, což usnadňuje výrobu, dopravu a instalaci na místě. Normy potřebují požadavky na testování spolehlivosti mezimodulových spojů a konzistence celkového výkonu.

1.2 Reference a formulace technických standardů

Při použití technologie 500kV suchého shuntového reaktoru v Brazílii hrály klíčovou roli technické normy. Výzkumný tým se hluboce zabýval brazilskou elektrickou normou ABNT NBR 5356 - 6 Transformátory Část 6: Reaktory, a kombinoval mezinárodní normy jako IEC 60076 - 6 Síťové transformátory - Část 6: Reaktory a IEEE Std C57.12.90 - 2021 Standardní testovací postupy pro kapalinou ochlazované distribuční, síťové a regulační transformátory, aby vyvinul technickou specifikaci 500kV suchého shuntového reaktoru vhodnou pro brazilské podmínky.

Hlavní zaměření při formulaci specifikace:

• Úroveň izolace: Přizpůsobená brazilské síti, byly zvýšeny požadavky na izolaci (udržovací napětí bleskového impulzu: 1550kV; provozní impulz: 1175kV - vyšší než čínské normy, ale vhodné pro síť). Podle NBR5356 - 6, testovací impuls Tz ≥ 1000 μs a Td ≥ 200 μs.

• Teplotní stoupání a odvádění tepla: Pro brazilské tepelné prostředí byla průměrná hranice teplotního stoupání zesílena z 60K na 50K (pomocí inovativního chladicího designu, zvyšujícího bezpečnost). Byla přidána termografická analýza a dlouhodobé sledování teploty kompozitní chladicí struktury.

• Požadavky a výpočet ztrát: Navrženo podle brazilských standardů s limitem interferenčních ztrát 0,3%. Pomocí přílohy B.2 IEEE Std C57.12.90 - 2021 byl vytvořen model převodu ztrát 50Hz - 60Hz, zajistil přesné a srovnatelné výpočty ztrát při různých frekvencích.

• Adaptabilita k prostředí: Pro brazilské horké a vlhké klima byly přidány požadavky na odolnost proti solné mlze, proti znečištění a proti UV, což zlepšilo dlouhodobou spolehlivost. Byly formulovány testy jako zrychlené stárnutí a cyklické vlhké teplé testy.

2 Aplikační praxe 500kV suchého shuntového reaktoru v Brazílii
2.1 Výzvy při zavedení technologie a adaptaci standardů

Aplikace technologie 500kV suchého shuntového reaktoru v brazilském energetickém systému přináší mnoho výzev, které vyžadují řešení těchto klíčových problémů:

• Rozdíly v technických standardech: Brazilská ABNT NBR 5356 - 6 Transformátory Část 6: Reaktory a čínská GB/T 1094.6 - 2017 Síťové transformátory - Část 6: Reaktory jsou strukturálně podobné, ale liší se v konkrétních požadavcích a detaily implementace. Oba reference IEC 60076 - 6, ale jsou lokalizovány na národní potřeby, s rozdíly v úrovni izolace, limitu teplotního stoupání a metodách výpočtu ztrát. Tyto rozdíly vyžadují opatrné zacházení při adaptaci technologie.

• Klimatická adaptabilita: Brazilské tropické klima (např. oblast Silvânia: průměrná roční teplota >25°C, relativní vlhkost ≥80%) klade vyšší nároky na odvádění tepla a izolaci. Toto horké a vlhké prostředí značně vyzývá izolaci a životnost tradičního elektrického zařízení.

• Adaptace na charakter sítě: Brazilská 500kV síť má fluktuace napětí asi o 15% vyšší než čínské stejné sítě, s různým harmonickým prostředím. Reaktory potřebují silnější adaptabilitu napětí a odolnost proti harmonickým složkám.

• Lokalizované potřeby provozu a údržby (O&M): Pro zajištění dlouhodobé spolehlivé operace je třeba zohlednit lokální schopnosti/habity O&M, pokrývající technické školení, dodávku náhradních dílů a lokální služby.

2.2 Úprava a inovace technických standardů

Pro řešení výše uvedených výzev tento výzkum přijal inovativní opatření, nejdůležitější z nich byla úprava předprojektových technických standardů a specifikací na základě skutečného použití a testování nového suchého reaktoru. To vyřešilo technické problémy při adaptaci a poskytlo klíčovou referenci pro podobné projekty.

Klíčové úpravy technických standardů:

• Zrušení testu částečných výbojků:Externí korona interference na suchých reaktorech překračuje jejich interní částečné výboje. Bez zralých metod/testů pro interferenční částečné výboje a s ohledem na to, že NBR 5356 - 11 - 2016 se pouze vztahuje na nízkonapěťové suché transformátory (bez externí interference) a IEEE C57.21 vyjímá suché shuntové reaktory z těchto testů, byl test částečných výbojů pro 500kV suché reaktory zrušen.

• Optimalizace izolace a testovacího času:Podle brazilských standardů je udržovací napětí bleskového impulzu 1550kV a provozní impulz 1175kV. Vzhledem k impedanci reaktoru byly parametry testovacího času přepínacího impulzu upraveny na Td ≥ 120 μs a Tz ≥ 500 μs.

• Zlepšení odvádění tepla:Pro brazilské horké a vlhké klima byla vyvinuta nová kompozitní struktura odvádění tepla s izolací třídy H (180°C), což zlepšuje tepelnou odolnost o 30°C v porovnání s tradičními designy. Termodynamické simulace ukazují, že teplotní stoupání horkého místního bodu zůstává pod 60K (pod hranicí designu).

• Úprava metody výpočtu ztrát: Ztráta reaktoru zahrnuje ztrátu DC odpornosti jeho cívky (Pdc) a další ztrátu cívky (Pa). Pro danou strukturu reaktoru jsou jak Pdc, tak Pa proporcionální druhé mocnině proudu. Použitím transponovaných vodičů a pouze několika malých vodivých kovových součástí (jako jsou spoje) na spojovacích místech (neferomagnetických), představuje další ztráta nízký podíl DC ztrát. Testovací výsledky ukazují, že ztráta prototypu je ~9%–12%, takže formule pro výpočet ztrát je následující:

• Zlepšení adaptability napětí: Optimalizací elektromagnetického designu byl rozsah adaptivity napětí zařízení rozšířen, aby se vypořádal s velkými fluktuacemi napětí v brazilské síti. Zároveň byla zlepšena odolnost proti harmonickým složkám a redukovány harmonické módy speciálním designem cívky.

3 Hodnocení praktických efektů a technických standardů
3.1 Analýza praktických efektů

Skrze aplikaci v podstanici Silvânia, 500kV suchý shuntový reaktor ukázal vynikající výkon. Podle zprávy o testu CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), klíčové ukazatele:

• Úroveň ztrát: Měřená ztráta: 58.367kW @ 80°C (pod limitem 60kW), což potvrzuje efektivní metody výpočtu a kontroly ztrát.

• Řízení hluku: Měřený hluk: 57dB(A) (výrazně pod požadavkem 80dB(A)), díky zaměřenému designu pro kontrolu hluku.

• Výkon teplotního stoupání: Průměrné teplotní stoupání: 22.9K; teplotní stoupání horkého místního bodu: 26.5K (oba pod hranicí designu), což potvrzuje nový chladicí design pro brazilské klima.

• Elektrický výkon: Dobře se projevil v testech (bleskový/ provozní impulz). Použity parametry ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) pro provozní impulz, beroucí v úvahu impedanci reaktoru.

To dokazuje vhodnost a převahu reaktoru v brazilské síti, zejména v energetické efektivitě a ochraně životního prostředí, podporující udržitelný rozvoj. Výsledky také ověřují vědecké, perspektivní technické specifikace.

3.2 Hodnocení optimalizace technických standardů

Na základě praxe a provozu tým navrhuje následující optimalizace:

• Limity ztrát: Snížení limity ztrát 500kV/20Mvar reaktoru z 60kW @ 80°C na 58kW @ 80°C; použití 75°C jako referenční teploty pro výpočet ztrát.

• Normy pro hluk: Upravit normy (např. 75dB(A) pro podstanice blízko obytných oblastí); zohlednit hluk při různých napětích (např. 600kV).

• Limity teplotního stoupání: Upravit průměrnou hranici teplotního stoupání z 60K na 50K; specifikovat izolaci třídy B (teplotní index 130°C, průměrné/horké místní stoupání 60/90°C).

• Soulad izolace: Zvýšit udržovací napětí bleskového impulzu na 1600kV (pro časté blesky v Brazílii); použít suchou udržovací napětí síťové frekvence 140kV pro izolaci neutrálního bodu. Definovat frekvenci testu (≥48Hz, 80% nominální) a dobu trvání (≥60s).

• Adaptabilita k prostředí: Přidat požadavky na odolnost proti solné mlze (pobřežní oblasti); zohlednit dopad EMF, stanovit vzdálenosti. Použít štíty, antipolutantní a UV odporné povlaky v designu.

Tyto návrhy zlepšují výkon a spolehlivost reaktoru, poskytují směrnici pro budoucí standardy a pomáhají brazilské síti efektivně, spolehlivě a udržitelně se rozvíjet.