Techniczne cechy zastosowania i normy 500kV suchych kondensatorów szeregowych w Brazylii
1 Cechy techniczne i odniesienia do standardów reaktorów szeregowych suchych 500kV
1.1 Cechy techniczne
Reaktor szeregowy suchy 500kV, to bezolejowe urządzenie elektryczne dla systemów przesyłowych nadwysokiego napięcia, charakteryzuje się zaawansowaną izolacją, innowacyjnym odprowadzaniem ciepła, optymalizacją projektu elektromagnetycznego oraz modułową strukturą. Te zalety, które przewyższają tradycyjne zanurzone w oleju reaktory, stawiają również nowe wymagania dotyczące standardów technicznych.
Zaawansowana Izolacja: Używanie odlewu żywicy epoksydowej i nanokompozytów (z cząsteczkami nano - SiO₂, które zwiększają wytrzymałość na przebicie żywicy o około 40% i początkowy napięcie częściowego roju o 25%), wzmacnia izolację i oporność na częściowy roj. Ten przełom wymaga ponownego zdefiniowania poziomów izolacji i metod testowania częściowego roju w standardach.
Innowacyjne Odprowadzanie Ciepła: Kompozytowa struktura (wielokanałowe wymuszone chłodzenie powietrzem + wspomagane odprowadzanie ciepła przez materiał zmiany fazy) utrzymuje wzrost temperatury w gorącym punkcie poniżej 60K (znacznie poniżej limitów IEC, zweryfikowane przez analizę elementów skończonych i eksperymenty). W standardach potrzebne są nowe metody/testy ograniczeń wzrostu temperatury.
Optymalizacja Projektu Elektromagnetycznego: Wielowarstwowe przesunięte nawijanie i gradientowa izolacja optymalizują rozkład pola elektrycznego, poprawiając odporność na krótkie spięcia. Analiza elementów skończonych pokazuje obniżenie maksymalnej siły pola elektrycznego w nawijaniu o około 20%. Standardy powinny zawierać metody oceny rozkładu pola elektrycznego i odporności na krótkie spięcia.
Modułowa Struktura: Składana z seryjnie połączonych identycznych podstawowych jednostek, ułatwia produkcję, transport i montaż na miejscu. Standardy powinny zawierać wymagania testowe dotyczące niezawodności połączeń między modułami i spójności ogólnej wydajności.
1.2 Odniesienia i Formułowanie Standardów Technicznych
W zastosowaniu technologii reaktora szeregowego suchego 500kV w Brazylii kluczową rolę odegrały standardy techniczne. Zespół badawczy szczegółowo przeanalizował brazylijski standard elektryczny ABNT NBR 5356 - 6 Transformator Część 6: Reaktory, oraz połączył międzynarodowe standardy, takie jak IEC 60076 - 6 Transformatory energetyczne - Część 6: Reaktory i IEEE Std C57.12.90 - 2021 Standardowe procedury testowe dla zanurzonych w płynie transformatorów dystrybucyjnych, energetycznych i regulujących, aby opracować specyfikację techniczną reaktora szeregowego suchego 500kV dostosowaną do kontekstu brazylijskiego.
Główne obszary koncentracji podczas formułowania specyfikacji:
Poziom Izolacji: Dostosowany do sieci brazylijskiej, wymagania izolacyjne zostały podwyższone (wytrzymałość na impuls grzmotu: 1550kV; wytrzymałość na impuls operacyjny: 1175kV - wyższe niż chińskie standardy, ale odpowiednie dla sieci). Zgodnie z NBR5356 - 6, test impulsu przełączania Tz ≥ 1000 μs i Td ≥ 200 μs.
Wzrost Temperatury i Odprowadzanie Ciepła: Dla wysokiej temperatury w Brazylii, limit średniego wzrostu temperatury został obniżony z 60K do 50K (dzięki innowacyjnemu projektowi chłodzenia, zwiększając bezpieczeństwo). Dodano analizę termograficzną i długoterminowe monitorowanie temperatury dla kompozytowej struktury chłodzącej.
Wymagania i Obliczenia Strat: Zaprojektowane zgodnie ze standardami brazylijskimi z granicznym limitem strat interferencyjnych 0,3%. Korzystając z załącznika B.2 IEEE Std C57.12.90 - 2021, opracowano model konwersji strat 50Hz - 60Hz, zapewniając dokładne i porównywalne obliczenia strat przy różnych częstotliwościach.
Adaptacja do Środowiska: Dla gorącego i wilgotnego klimatu Brazylii, dodano wymagania dotyczące odporności na sól morską, przepięcia z powodu zanieczyszczeń i promieni UV, aby zwiększyć długoterminową niezawodność. Sformułowano testy, takie jak przyspieszona starzenie i cykliczne testy wilgotności-ciepła.
2 Praktyka Zastosowania Reaktorów Szeregowych Suchych 500kV w Brazylii
2.1 Wyzwania w Wprowadzeniu Technologii i Adaptacji Standardów
Zastosowanie technologii reaktorów szeregowych suchych 500kV w systemie energetycznym Brazylii niesie ze sobą wiele wyzwań, wymagając rozwiązania tych kluczowych problemów:
Różnice w Standardach Technicznych: Brazylijski standard ABNT NBR 5356 - 6 Transformator Część 6: Reaktory i chiński GB/T 1094.6 - 2017 Transformatory energetyczne - Część 6: Reaktory są podobne strukturalnie, ale różnią się szczegółowymi wymaganiami i szczegółami implementacji. Oba standardy odnoszą się do IEC 60076 - 6, ale są dostosowane do lokalnych potrzeb, różniąc się poziomami izolacji, limitami wzrostu temperatury i metodami obliczania strat. Te różnice wymagają ostrożnego podejścia podczas adaptacji technologii.
Adaptacja do Klimatu: Tropikalny klimat Brazylii (np. region Silvânia: średnia roczna temperatura >25°C, wilgotność względna ≥80%) narzuca wyższe wymagania dotyczące odprowadzania ciepła i izolacji. Takie gorące i wilgotne środowisko jest poważnym wyzwaniem dla izolacji i żywotności tradycyjnego sprzętu energetycznego.
Dostosowanie do Charakterystyki Sieci: Brazylijska sieć 500kV ma fluktuacje napięcia około 15% wyższe niż chińskie sieci tego samego poziomu, z innym środowiskiem harmonicznych. Reaktory muszą mieć silniejszą zdolność do adaptacji napięcia i lepszą odporność na harmoniczne.
Lokalne Potrzeby Obsługi i Konserwacji (O&M): Aby zapewnić długoterminową niezawodną pracę, należy uwzględnić lokalne możliwości i nawyki obsługi, obejmujące szkolenia techniczne, dostawę części zamiennych i usługi lokalne.
2.2 Dostosowanie i Innowacje Standardów Technicznych
Aby rozwiązać powyższe wyzwania, badanie wprowadziło innowacyjne środki, najważniejsze polegające na dostosowaniu przedprojektowych standardów technicznych i specyfikacji na podstawie rzeczywistego użytkowania i testowania nowego reaktora suchego. To rozwiązało problemy technicznej adaptacji i dostarczyło kluczowe odniesienie dla podobnych projektów.
Kluczowe modyfikacje standardów technicznych:
Anulowanie Testu Częściowego Roju: Zakłócenia koronowe na zewnątrz reaktorów suchych znacznie przekraczają ich wewnętrzne częściowe roje. Bez dojrzałych metod/testów dla zakłócających częściowych rojów, a biorąc pod uwagę, że NBR 5356 - 11 - 2016 dotyczy tylko niskonapięcych transformatorów suchych (bez zakłóceń zewnętrznych) i IEEE C57.21 zwalnia reaktory szeregowo-suche z takich testów, anulowano test częściowego roju dla reaktorów suchych 500kV.
Optymalizacja Izolacji i Czasu Testu: Zgodnie ze standardami brazylijskimi, wytrzymałość na impuls grzmotu wynosi 1550kV, a na impuls operacyjny 1175kV. Ze względu na impedancję reaktora, parametry czasowe testu impulsu przełączania są dostosowane do Td ≥ 120 μs i Tz ≥ 500 μs.
Wzmocnienie Odprowadzania Ciepła: Dla gorącego i wilgotnego klimatu Brazylii, opracowano nową kompozytową strukturę odprowadzania ciepła, używając izolacji klasy H (180°C), która zwiększa odporność na ciepło o 30°C w porównaniu do tradycyjnych projektów. Symulacje termiczne pokazują, że wzrost temperatury w gorącym punkcie pozostaje poniżej 60K (poniżej granic projektowych).
Dostosowanie Metody Obliczania Strat: Straty reaktora składają się z strat rezystancyjnych cewki (Pdc) i dodatkowych strat cewki (Pa). Dla danego układu reaktora, zarówno Pdc, jak i Pa są proporcjonalne do kwadratu prądu. Używając przestawionych przewodników, a z niewielką ilością małych metalicznych elementów przewodzących (jak konektory) w punktach połączeń (niesprężyste), dodatkowe straty stanowią niewielki udział strat rezystancyjnych. Wyniki testów pokazują, że dodatkowe straty prototypu wynoszą około 9%-12%, więc wzór na obliczanie strat jest następujący:
Wzmocnienie Zdolności Adaptacji Napięcia: Poprzez optymalizację projektu elektromagnetycznego, zakres adaptacji napięcia urządzenia został poszerzony, aby sprostać dużym fluktuacjom napięcia w brazylijskiej sieci energetycznej. Jednocześnie poprawiono odporność urządzenia na harmoniczne, a harmoniczne tryby zostały zmniejszone dzięki specjalnemu projektowi nawijania.
3 Ocena Efektów Praktycznych i Standardów Technicznych
3.1 Analiza Efektów Praktycznych
Poprzez zastosowanie w podstacji Silvânia, reaktor szeregowy suchy 500kV pokazał doskonałe wyniki. Zgodnie z raportem testowym CEPRI - EETC03 - 2022 - 0880 (E), kluczowe wskaźniki:
Poziom Strat: Pomierzony poziom strat: 58,367kW @ 80°C (poniżej granicy 60kW), potwierdzając efektywne metody obliczania i kontrolowania strat.
Kontrola Hałasu: Pomierzony poziom hałasu: 57dB(A) (daleko poniżej wymagania 80dB(A)), dzięki skupionej konstrukcji redukującej hałas.
Wydajność Wzrostu Temperatury: Średni wzrost temperatury: 22,9K; wzrost temperatury w gorącym punkcie: 26,5K (oba poniżej granic projektowych), potwierdzając nową konstrukcję chłodzenia dla klimatu brazylijskiego.
Wydajność Elektryczna: Dobrze wypadł w testach (impuls grzmotu/operacyjny). Użyto parametrów ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) dla impulsu operacyjnego, uwzględniając impedancję reaktora.
To dowodzi stosowalności i przewagi reaktora w sieci brazylijskiej, szczególnie w zakresie efektywności energetycznej i ochrony środowiska, wspierając zrównoważony rozwój. Wyniki również potwierdzają naukowe, przyszłościowe specyfikacje techniczne.
3.2 Ocena Optymalizacji Standardów Technicznych
Na podstawie praktyki i eksploatacji, zespół proponuje optymalizacje:
Granice Strat: Obniżenie granicy strat reaktora 500kV/20Mvar z 60kW @ 80°C do 58kW @ 80°C; użycie 75°C jako odniesienia do obliczania strat.
Standardy Hałasu: Dostosowanie standardów (np. 75dB(A) dla podstacji w pobliżu domów); uwzględnienie hałasu przy różnych napięciach (np. 600kV).
Granice Wzrostu Temperatury: Dostosowanie średniej granicy wzrostu temperatury z 60K do 50K; określenie izolacji klasy B (indeks temperatury 130°C, wzrosty średnie/punktowe 60/90°C).
Koordynacja Izolacji: Podwyższenie wytrzymałości na impuls grzmotu do 1600kV (ze względu na częste uderzenia piorunów w Brazylii); użycie 140kV suchego napięcia sieciowego dla izolacji punktu neutralnego. Określenie częstotliwości testu (≥48Hz, 80% nominalnej) i czasu trwania (≥60s).
Adaptacja do Środowiska: Dodanie wymogów odporności na sól morską (obszary nadmorskie); uwzględnienie oddziaływania EMF, ustalenie odstępów. Użycie osłon, antypyrzy i antywypalanych powłok w projekcie.
Te sugestie zwiększają wydajność i niezawodność reaktora, kierując przyszłe standardy i pomagając w efektywnym, niezawodnym i zrównoważonym rozwoju sieci brazylijskiej.
