Technische Merkmale Anwendung und Normen von 500kV Trockentransformatoren in Brasilien

1 Technische Merkmale und Normenbezug von 500kV Trocken-Drosseln
1.1 Technische Merkmale

Die 500kV Trocken-Drossel, ein ölfreies Energiegerät für ultrahochspannungs-Übertragungssysteme, zeichnet sich durch fortschrittliche Isolierung, innovative Wärmeabfuhr, optimierte elektromagnetische Konstruktion und modulare Struktur aus. Diese Vorteile, die über traditionelle ölgefüllte Drosseln hinausgehen, treiben auch neue technische Normanforderungen an.

• Fortschrittliche Isolierung: Durch Epoxidharz-Guss und Nanokompositmaterialien (mit Nano-SiO₂-Partikeln, die die Epoxidbruchspannung um etwa 40% und die Anfangsspannung der Teilentladung um 25% erhöhen), wird die Isolierung und die Widerstandsfähigkeit gegen Teilentladungen verbessert. Dieser Durchbruch erfordert eine Neufestlegung der Isolierstufen und der Testmethoden für Teilentladungen in den Normen.

• Innovative Wärmeabfuhr: Eine Verbundstruktur (mehrkanalige gezwungene Luftkühlung + phasenwechselmaterialunterstützte Wärmeabfuhr) hält die Temperaturanstiegsspitzen unter 60K (weit unterhalb der IEC-Grenzwerte, verifiziert durch Finite-Elemente-Analyse und Experimente). Neue Methoden und Grenzwerte für die Temperaturanstiegsprüfung sind in den Normen erforderlich.

• Optimierte elektromagnetische Konstruktion: Mehrschichtige versetzte Wicklung und Gradientenisolierung optimieren die elektrische Feldverteilung und verbessern die Kurzschlussbeständigkeit. Die Finite-Elemente-Analyse zeigt eine Reduktion des maximalen elektrischen Feldes in den Wicklungen um etwa 20%. Normen sollten Bewertungsmethoden für die elektrische Feldverteilung und die Kurzschlussbeständigkeit hinzufügen.

• Modulare Struktur: Bestehend aus seriell verbundenen identischen Grundelementen, erleichtert sie die Herstellung, den Transport und die Ortseinrichtung. Normen benötigen Prüfanforderungen für die Verbindungszuverlässigkeit zwischen den Modulen und die Konsistenz der Gesamtleistung.

1.2 Bezug und Ausarbeitung von technischen Normen

Bei der Anwendung der 500kV Trocken-Drossel-Technologie in Brasilien spielten technische Normen eine entscheidende Rolle. Das Forschungsteam vertiefte sich in die brasilianische Elektronorm ABNT NBR 5356 - 6 Transformatoren Teil 6: Drosseln, und kombinierte internationale Normen wie IEC 60076 - 6 Stromtransformator - Teil 6: Drosseln und IEEE Std C57.12.90 - 2021 Standardtestverfahren für flüssigkeitsgefüllte Verteilungs-, Leistungs- und Regeltransformator, um eine technische Spezifikation für 500kV Trocken-Drosseln zu entwickeln, die auf die brasilianischen Gegebenheiten abgestimmt ist.

Schwerpunkte bei der Ausarbeitung der Spezifikation:

• Isolierstufe: Angepasst an das brasilianische Netz, wurden die Isolieranforderungen angehoben (Blitzimpuls-Ausdauer: 1550kV; Betriebsimpuls-Ausdauer: 1175kV - höher als chinesische Normen, aber für das Netz geeignet). Gemäß NBR5356 - 6 beträgt der Schaltimpuls-Test Tz ≥ 1000 µs und Td ≥ 200 µs.

• Temperaturanstieg und Wärmeabfuhr: Für die hohe Temperaturumgebung in Brasilien wurde die durchschnittliche Temperaturanstiegsgrenze von 60K auf 50K verschärft (durch innovative Kühlkonstruktion, Sicherheit gesteigert). Thermografische Analyse und langfristige Temperaturüberwachung für die Verbundkühlstruktur hinzugefügt.

• Verlustanforderungen und Berechnung: Entworfen nach brasilianischen Normen mit einem Störverlustlimit von 0,3%. Mit IEEE Std C57.12.90 - 2021 Anhang B.2 wurde ein 50Hz-60Hz-Verlustkonvertierungsmodell erstellt, um präzise und vergleichbare Verlustberechnungen über Frequenzen hinweg sicherzustellen.

• Umweltanpassung: Für die heiße und feuchte Klimaumgebung in Brasilien wurden zusätzliche Anforderungen zur Salznebelresistenz, Verschmutzungssicherheit und UV-Beständigkeit hinzugefügt, um die langfristige Zuverlässigkeit zu steigern. Formulierte Tests wie beschleunigte Alterungs- und Feuchtigkeits-Wärmezyklusprüfungen.

2 Anwendungspraxis von 500kV Trocken-Drosseln in Brasilien
2.1 Herausforderungen bei der Technologieeinführung und Normenanpassung

Die Anwendung der 500kV Trocken-Drossel-Technologie im brasilianischen Energiesystem stellt mehrere Herausforderungen dar, die Lösungen für diese Schlüsselprobleme erfordern:

• Unterschiede in technischen Normen: Die brasilianische ABNT NBR 5356 - 6 Transformatoren Teil 6: Drosseln und die chinesische GB/T 1094.6 - 2017 Stromtransformator - Teil 6: Drosseln sind strukturell ähnlich, unterscheiden sich jedoch in spezifischen Anforderungen und Implementierungsdetails. Beide beziehen sich auf IEC 60076 - 6, sind aber an nationale Bedürfnisse angepasst, variieren in Isolierstufen, Temperaturanstiegsgrenzen und Verlustberechnungsmethoden. Diese Unterschiede erfordern sorgfältige Abwicklung bei der Technologieanpassung.

• Klimaanpassung: Das tropische Klima in Brasilien (z.B. Silvânia-Region: Jahresdurchschnittstemperatur >25°C, relative Luftfeuchtigkeit ≥80%) erfordert höhere Wärmeabführungs- und Isolieranforderungen. Solche heißen und feuchten Umgebungen stellen eine schwere Herausforderung für die Isolierung und Lebensdauer herkömmlicher Energiegeräte dar.

• Netzcharakteristik-Anpassung: Das 500kV-Netz in Brasilien weist Spannungsschwankungen um etwa 15% höher als chinesische Netze gleicher Stufe auf, mit unterschiedlichen harmonischen Umgebungen. Drosseln benötigen stärkere Spannungsanpassbarkeit und Anti-Harmonik-Leistung.

• Lokale Betrieb- und Instandhaltungsbedürfnisse (B&I): Um eine langfristig zuverlässige Betriebsfähigkeit zu gewährleisten, müssen lokale B&I-Fähigkeiten und -Gewohnheiten berücksichtigt werden, einschließlich technischer Schulungen, Ersatzteillieferung und lokaler Dienstleistungen.

2.2 Anpassung und Innovation von technischen Normen

Um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen, unternahm diese Forschung innovative Maßnahmen, insbesondere die Anpassung der vorprojektierten technischen Normen und Spezifikationen basierend auf der tatsächlichen Nutzung und Prüfung der neuen Trocken-Drossel. Dies löste technische Anpassungsprobleme und bot einen wichtigen Referenzrahmen für ähnliche Projekte.

Wichtige Änderungen an den technischen Normen:

• Abschaffung des Teilentladungs-Tests: Externe Korona-Störungen an Trocken-Drosseln überschreiten ihre internen Teilentladungen bei weitem. Da es keine reifen Prüfverfahren/Kriterien für Störteilentladungen gibt und NBR 5356 - 11 - 2016 nur auf niederspannungs-Trockentransformatoren ohne externe Störungen zutrifft und IEEE C57.21 Trocken-Drosseln von solchen Tests ausnimmt, wird der Teilentladungs-Test für 500kV Trocken-Drosseln abgeschafft.

• Optimierung der Isolierung und Prüfzeit: Gemäß brasilianischen Normen beträgt die Blitzimpuls-Ausdauer 1550kV und die Betriebsimpuls-Ausdauer 1175kV. Aufgrund des Drosselwiderstands werden die Parameter der Schaltimpuls-Prüfzeit auf Td ≥ 120 µs und Tz ≥ 500 µs angepasst.

• Verbesserung der Wärmeabfuhr: Für das heiße und feuchte Klima in Brasilien wurde eine neue Verbund-Wärmeabfuhrstruktur mit Klasse H (180°C) Isolierung entwickelt (Hitzebeständigkeit um 30°C gegenüber traditionellen Designs erhöht). Thermische Simulationen zeigen, dass die Temperaturanstiegsspitzen unter 60K bleiben (unter den Designgrenzen).

• Anpassung der Verlustberechnungsmethode: Der Verlust einer Drossel besteht aus dem Gleichstromwiderstandsverlust der Wicklung (Pdc) und dem zusätzlichen Verlust der Wicklung (Pa). Bei einer bestimmten Drosselstruktur sind sowohl Pdc als auch Pa proportional zum Quadrat des Stroms. Durch die Verwendung transponierter Leiter und nur wenigen kleinen leitfähigen Metallkomponenten (wie Verbindungen) an Verbindungspunkten (nicht magnetisch) macht der zusätzliche Verlust einen geringen Anteil des Gleichstromverlusts aus. Testergebnisse zeigen, dass der zusätzliche Verlust des Prototyps ~9%-12% beträgt, so dass die Verlustberechnungsformel wie folgt lautet:

• Verbesserung der Spannungsanpassbarkeit: Durch die Optimierung der elektromagnetischen Konstruktion wurde der Spannungsanpassungsbereich der Ausrüstung erweitert, um großen Spannungsschwankungen im brasilianischen Stromnetz gerecht zu werden. Gleichzeitig wurde die Anti-Harmonik-Leistung der Ausrüstung verbessert und harmonische Modi durch eine spezielle Wicklung reduziert.

3 Bewertung der praktischen Effekte und technischen Normen
3.1 Analyse der praktischen Effekte

Durch die Anwendung in der Umspannanlage Silvânia zeigte die 500kV Trocken-Drossel ausgezeichnete Leistungen. Laut CEPRI-EETC03-2022-0880 (E) Prüfbericht, wesentliche Indikatoren:

• Verlustniveau: Gemessener Verlust: 58,367 kW bei 80°C (unter der Grenze von 60kW), was effektive Verlustberechnungs- und -kontrollmethoden bestätigt.

• Geräuschkontrolle: Gemessenes Geräusch: 57dB(A) (weit unter der Anforderung von 80dB(A)), dank fokussierter Geräuschkontrolldesigns.

• Temperaturanstieg: Durchschnittlicher Temperaturanstieg: 22,9K; Temperaturanstieg an der Heißstelle: 26,5K (beide unter den Designgrenzen), was das neue Kühlungsdesign für das brasilianische Klima bestätigt.

• Elektrische Leistung: Gute Leistung in Prüfungen (Blitz- und Betriebsimpuls). Verwendete ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 Parameter (T1, Td, Tz) für den Betriebsimpuls, berücksichtigend den Drosselwiderstand.

Dies beweist die Anwendbarkeit und Überlegenheit der Drossel im brasilianischen Netz, insbesondere in Bezug auf Energieeffizienz und Umweltschutz, unterstützt nachhaltige Entwicklung. Die Ergebnisse bestätigen wissenschaftliche, zukunftsweisende technische Spezifikationen.

3.2 Bewertung der Optimierung der technischen Normen

Basierend auf Praxis und Betrieb schlägt das Team folgende Optimierungen vor:

• Verlustgrenzen: Senken der Verlustgrenze für 500kV/20Mvar-Drosseln von 60kW bei 80°C auf 58kW bei 80°C; Verwendung von 75°C als Referenztemperatur für die Verlustberechnung.

• Geräuschnormen: Verfeinerung der Normen (z.B. 75dB(A) für Umspannanlagen in Nähe von Wohngebieten); Berücksichtigung des Geräusches bei verschiedenen Spannungen (z.B. 600kV).

• Temperaturanstiegsgrenzen: Anpassung der durchschnittlichen Temperaturanstiegsgrenze von 60K auf 50K; Festlegung von Klasse B-Isolierung (Temperaturindex 130°C, durchschnittliche/Heißstellen-Temperaturanstiege 60/90°C).

• Isolierkoordination: Erhöhung der Blitzimpuls-Ausdauer auf 1600kV (aufgrund häufiger Blitze in Brasilien); Verwendung von 140kV Netzspannung-Trockenausdauer für Neutralpunkt-Isolierung. Definition der Prüffrequenz (≥48Hz, 80% der Nennwert) und Dauer (≥60s).

• Umweltanpassung: Hinzufügen von Anforderungen zur Salznebelresistenz (Küstenregionen); Berücksichtigung des EMF-Einflusses, Festlegung von Abständen. Verwendung von Schildern, anti-Verschmutzungs- und UV-Beschichtungen im Design.

Diese Vorschläge steigern die Leistung und Zuverlässigkeit der Drosseln, leiten zukünftige Normen und helfen, das brasilianische Netz effizient, zuverlässig und nachhaltig weiterzuentwickeln.