Технические характеристики применения и стандарты 500 кВ сухих шунтирующих реакторов в Бразилии

1 Технические характеристики и ссылки на стандарты для сухих шунтирующих реакторов 500 кВ
1.1 Технические характеристики

Сухой шунтирующий реактор 500 кВ, не содержащий масла, предназначен для сверхвысоковольтных систем передачи электроэнергии. Он обладает ключевыми характеристиками, такими как продвинутая изоляция, инновационное охлаждение, оптимизированная электромагнитная конструкция и модульная структура. Эти преимущества, превосходящие традиционные масляные реакторы, также стимулируют новые технические требования к стандартам.

• Продвинутая изоляция: Использование эпоксидной смолы и нанокомпозитов (с частицами нано-SiO₂, повышающими прочность эпоксидной смолы на пробой примерно на 40% и начальное напряжение частичного разряда на 25%), улучшает изоляцию и сопротивление частичным разрядам. Этот прорыв требует пересмотра уровней изоляции и методов испытаний на частичный разряд в стандартах.

• Инновационное охлаждение: Композитная структура (многоканальное принудительное воздушное охлаждение + теплоотведение с помощью материала с фазовым переходом) поддерживает температурный подъем горячих точек в пределах 60K (значительно ниже пределов МЭК, подтверждено конечными элементами анализа и экспериментами). Необходимы новые методы и пределы испытаний на температурный подъем в стандартах.

• Оптимизированная электромагнитная конструкция: Многослойная чередующаяся намотка и градиентная изоляция оптимизируют распределение электрического поля, улучшая сопротивление короткому замыканию. Анализ конечных элементов показывает снижение максимальной силы электрического поля в обмотках примерно на 20%. Стандарты должны включать методы оценки распределения электрического поля и сопротивления короткому замыканию.

• Модульная структура: Состоит из последовательно соединенных одинаковых базовых блоков, что облегчает производство, транспортировку и монтаж на месте. Стандарты должны включать требования к испытаниям надежности межмодульных соединений и согласованности общего функционирования.

1.2 Ссылки и формулировка технических стандартов

При применении технологии сухих шунтирующих реакторов 500 кВ в Бразилии, технические стандарты играли ключевую роль. Исследовательская группа углубленно изучила бразильский электротехнический стандарт ABNT NBR 5356 - 6 Трансформатор Часть 6: Реакторы, а также международные стандарты, такие как IEC 60076 - 6 Электрические трансформаторы Часть 6: Реакторы и IEEE Std C57.12.90 - 2021 Стандартные методы испытаний для жидкостных распределительных, мощностных и регулирующих трансформаторов, чтобы разработать техническое описание сухого шунтирующего реактора 500 кВ, соответствующее условиям Бразилии.

Основные акценты при формулировке спецификаций:

• Уровень изоляции: Учитывая особенности сети Бразилии, требования к изоляции были повышены (напряжение импульса молнии: 1550 кВ; оперативное импульсное напряжение: 1175 кВ — выше, чем по китайским стандартам, но подходящее для сети). В соответствии с NBR5356 - 6, время импульса переключения Tz ≥ 1000 мкс и Td ≥ 200 мкс.

• Температурный подъем и охлаждение: Для высокотемпературной среды Бразилии предельный температурный подъем был ужесточен с 60K до 50K (благодаря инновационному охлаждающему дизайну, повышающему безопасность). Добавлен термографический анализ и долгосрочный мониторинг температуры композитной охлаждающей структуры.

• Требования к потерям и расчет: Разработано в соответствии с бразильскими стандартами с ограничением потерь от помех 0,3%. Используя Приложение B.2 IEEE Std C57.12.90 - 2021, была создана модель преобразования потерь 50 Гц - 60 Гц, обеспечивая точные и сравнимые расчеты потерь на разных частотах.

• Адаптивность к окружающей среде: Для жаркого и влажного климата Бразилии добавлены требования к защите от солевого тумана, загрязнений и УФ-излучения, чтобы повысить долговечность. Разработаны тесты, такие как ускоренное старение и циклические влажно-тепловые испытания.

2 Практическое применение сухих шунтирующих реакторов 500 кВ в Бразилии
2.1 Проблемы внедрения технологии и адаптации стандартов

Применение технологии сухих шунтирующих реакторов 500 кВ в энергетической системе Бразилии представляет собой множество вызовов, требующих решения следующих ключевых вопросов:

• Различия в технических стандартах: Бразильский стандарт ABNT NBR 5356 - 6 Трансформатор Часть 6: Реакторы и китайский стандарт GB/T 1094.6 - 2017 Электрические трансформаторы Часть 6: Реакторы имеют схожую структуру, но отличаются конкретными требованиями и деталями реализации. Оба стандарта ссылаются на IEC 60076 - 6, но адаптированы к национальным потребностям, различаясь уровнями изоляции, предельными значениями температурного подъема и методами расчета потерь. Эти различия требуют внимательного подхода при адаптации технологии.

• Адаптивность к климату: Тропический климат Бразилии (например, в регионе Силвания: средняя годовая температура >25°C, относительная влажность ≥80%) требует более эффективного охлаждения и изоляции. Такая жаркая и влажная среда серьезно затрудняет работу традиционного электрооборудования, особенно в отношении изоляции и сроков службы.

• Адаптивность к характеристикам сети: Напряжение в бразильской сети 500 кВ колеблется примерно на 15% больше, чем в китайских сетях того же уровня, с различными гармоническими условиями. Реакторы должны обладать повышенной адаптивностью к напряжению и антигармоническими свойствами.

• Локализованные потребности в эксплуатации и обслуживании (ОиО): Для обеспечения долгосрочной надежной работы необходимо учитывать локализованные возможности и привычки ОиО, включая техническое обучение, обеспечение запасными частями и локализованные услуги.

2.2 Корректировка и инновации в технических стандартах

Для решения указанных проблем исследование применило инновационные меры, наиболее важной из которых стала корректировка технических стандартов и спецификаций на основе реального использования и испытаний нового сухого реактора. Это позволило решить вопросы технической адаптации и предоставило ключевой ориентир для аналогичных проектов.

Основные изменения в технических стандартах:

• Отмена испытаний на частичный разряд: Внешние коронные помехи на сухих реакторах значительно превышают внутренние частичные разряды. Отсутствие зрелых методов и критериев для испытаний на помеховые частичные разряды, а также учет того, что NBR 5356 - 11 - 2016 применяется только к низковольтным сухим трансформаторам (без внешних помех) и IEEE C57.21 освобождает сухие шунтирующие реакторы от таких испытаний, привели к отмене испытаний на частичный разряд для сухих реакторов 500 кВ.

• Оптимизация изоляции и времени испытаний: Согласно бразильским стандартам, напряжение импульса молнии составляет 1550 кВ, а оперативное импульсное напряжение — 1175 кВ. В связи с импедансом реактора, параметры времени импульса переключения были скорректированы до Td ≥ 120 мкс и Tz ≥ 500 мкс.

• Улучшение охлаждения: Для жаркого и влажного климата Бразилии разработана новая композитная охлаждающая структура с использованием изоляции класса H (180°C), повышающая теплостойкость на 30°C по сравнению с традиционными конструкциями. Термические моделирования показывают, что температурный подъем горячих точек остается в пределах 60K (ниже проектных пределов).

• Корректировка метода расчета потерь: Потери реактора включают потери постоянного сопротивления обмотки (Pdc) и дополнительные потери обмотки (Pa). Для данной конструкции реактора, как Pdc, так и Pa пропорциональны квадрату тока. Используя перекрестные проводники и имея лишь несколько малых проводящих металлических компонентов (например, соединители) на точках соединения (немагнитные), дополнительные потери составляют низкую долю постоянных потерь. Результаты испытаний показали, что дополнительные потери прототипа составляют около 9-12%, поэтому формула расчета потерь следующая:

• Усиление адаптивности к напряжению: Оптимизировав электромагнитную конструкцию, диапазон адаптивности оборудования к напряжению был расширен, чтобы справиться с большими колебаниями напряжения в бразильской сети. Одновременно было улучшено антигармоническое поведение оборудования, и сокращены гармонические режимы через специальную конструкцию обмотки.

3 Оценка практических результатов и технических стандартов
3.1 Анализ практических результатов

Благодаря применению на подстанции Силвания, сухой шунтирующий реактор 500 кВ показал отличные результаты. Согласно отчету о тестировании CEPRI - EETC03 - 2022 - 0880 (E), ключевые показатели:

• Уровень потерь: Измеренные потери: 58,367 кВт при 80°C (ниже предела 60 кВт), что подтверждает эффективность методов расчета и контроля потерь.

• Контроль шума: Измеренный уровень шума: 57 дБ(А) (значительно ниже требования 80 дБ(А)), благодаря сосредоточенному дизайну для контроля шума.

• Температурный подъем: Средний температурный подъем: 22,9 К; подъем горячей точки: 26,5 К (оба значения ниже проектных пределов), что подтверждает эффективность нового охлаждающего дизайна для климата Бразилии.

• Электрические характеристики: Хорошие результаты в испытаниях (импульс молнии/оперативный импульс). Использовались параметры ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) для оперативного импульса, учитывая импеданс реактора.

Эти результаты подтверждают применимость и превосходство реактора в бразильской сети, особенно в области энергоэффективности и экологической защиты, способствуя устойчивому развитию. Результаты также подтверждают научную и прогностическую ценность технических спецификаций.

3.2 Оценка оптимизации технических стандартов

На основе практики и эксплуатации команда предлагает следующие оптимизации:

• Пределы потерь: Снизить предел потерь для реактора 500 кВ/20 Мвар с 60 кВт при 80°C до 58 кВт при 80°C; использовать 75°C в качестве эталона для расчета потерь.

• Стандарты шума: Уточнить стандарты (например, 75 дБ(А) для подстанций, расположенных рядом с жилыми зонами); учитывать шум при различных напряжениях (например, 600 кВ).

• Пределы температурного подъема: Изменить средний предел температурного подъема с 60K до 50K; указать класс изоляции B (индекс температуры 130°C, средний/горячий подъем 60/90°C).

• Согласование изоляции: Повысить напряжение импульса молнии до 1600 кВ (учитывая частые удары молнии в Бразилии); использовать 140 кВ переменного тока для сухой изоляции нейтральной точки. Определить частоту испытаний (≥48 Гц, 80% от номинальной) и продолжительность (≥60 с).

• Адаптивность к окружающей среде: Добавить требования к защите от солевого тумана (прибрежные районы); учитывать влияние ЭМП, установить расстояния. Использовать экраны, антизагрязняющие и УФ-защитные покрытия в дизайне.

Эти предложения улучшают производительность и надежность реакторов, направляют будущие стандарты и способствуют эффективному, надежному и устойчивому развитию сети Бразилии.