Tehnične značilnosti uporabe in standardi sušnih shunt reaktorjev na 500 kV v Braziliji

1 Tehnične značilnosti in sklice na standarde za 500kV suho tipa shunt reaktorje
1.1 Tehnične značilnosti

500kV suh tipa shunt reaktor, brezbenzinski električni naprava za prenos ultra visokih napetosti, ima ključne značilnosti, kot so napredna izolacija, inovativno toplinsko odpovedovanje, optimizirana elektromagnetna konstrukcija in modularna struktura. Te prednosti, ki presegljajo tradicionalne benzinastopljene reaktorje, tudi spodbujajo nove tehnične standardne zahteve.

• Napredna izolacija: Z uporabo epoksidne prga in nanokompozitov (z nano SiO₂ delci, ki povečajo lomno napetost epoksidne prge za ~40% in začetno napetost delne razsevanja za 25%), se izboljša izolacija in odpornost na delno razsevanje. Ta dosežek zahteva ponovno opredelitev ravni izolacije in metod testiranja delnega razsevanja v standardih.

• Inovativno toplinsko odpovedovanje: Sestavljena struktura (večkanalno prisilno hladilno zrak + faznoprestopna materialna pomoč pri toplinskem odpovedovanju) ohranja temperaturno povečanje točk toplote znotraj 60K (dolgo pod mejami IEC, preverjeno s končnimi elementi analize in poskusi). Zahtevani so novi metodi/omejitve za testiranje temperaturnega povečanja v standardih.

• Optimizirana elektromagnetna konstrukcija: Večslojno odmaknjeno navijanje in gradientna izolacija optimizirata porazdelitev električnega polja, kar izboljša odpornost na kratkoporočne napetosti. Analiza končnih elementov kaže ~20% zmanjšanje maksimalne moči električnega polja v navijanju. Standardi bi morali dodati metode ocenjevanja porazdelitve električnega polja in odpornosti na kratkoporočne napetosti.

• Modularna struktura: Sestavljena iz zaporedno povezanih enakih osnovnih enot, kar olajša proizvodnjo, prevoz in namestitev na mestu. Standardi potrebujejo zahteve za preskušanje zanesljivosti medmodulskih povezav in konsistentnosti celotnega delovanja.

1.2 Sklici in oblikovanje tehničnih standardov

Pri uporabi tehnologije 500kV suhega tipa shunt reaktorja v Braziliji je ključno vlogo igrali tehnični standardi. Raziskovalna ekipa je temeljito preučila braziloslovanski električni standard ABNT NBR 5356 - 6 Transformer Part 6: Reactors, in kombinirala mednarodne standarde, kot so IEC 60076 - 6 Power Transformers - Part 6: Reactors in IEEE Std C57.12.90 - 2021 Standard Test Procedures for Liquid - Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers, da bi razvili tehnične specifikacije za 500kV suh tipa shunt reaktor, ki se ujemajo s kontekstom Brazilije.

Ključni fokusi med oblikovanjem specifikacij:

• Raven izolacije: Prilagojena brazilske mreže, so bile zahteve glede izolacije povišane (udarno trpljenje napedov: 1550kV; operacijsko trpljenje napedov: 1175kV – višje od kitajskih standardov, a primerne za mrežo). Glede na NBR5356 - 6, test preklapljanja Tz ≥ 1000 μs in Td ≥ 200 μs.

• Temperaturno povečanje in toplinsko odpovedovanje: Za visoko temperaturno okolje v Braziliji je bila meja povprečnega temperaturnega povečanja zmanjšana s 60K na 50K (z inovativnim hladilnim dizajnom, ki povečuje varnost). Dodano je termografsko analizo in dolgoročno spremljanje temperature za sestavljeno hladilno strukturo.

• Zahteve glede izgub in računanje: Oblikovana po braziloslovanskim standardih z 0,3% omejitvijo motnega izguba. Uporabljena je bil dodatek B.2 IEEE Std C57.12.90 - 2021, zgradba modela pretvorbe izgub 50Hz - 60Hz, ki zagotavlja natančno in primerljivo računanje izgub čez frekvence.

• Prilagodljivost okolju: Za toplo in vlago v Braziliji so bile dodane zahteve proti solani mlazi, onesnaženju in UV, da se izboljša dolgoročna zanesljivost. Formulirani so bili testi, kot so pospešeno starenje in ciklični vlago-toplotni testi.

2 Praksa uporabe 500kV suhega tipa shunt reaktorjev v Braziliji
2.1 Izazovi pri uvajanju tehnologije in prilagoditvi standardov

Uvajanje tehnologije 500kV suhega tipa shunt reaktorja v brazilske električne sisteme predstavlja več izazovov, ki zahtevajo rešitve za te ključne težave:

• Razlike v tehničnih standardih: Brazilska ABNT NBR 5356 - 6 Transformer Part 6: Reactors in kitajska GB/T 1094.6 - 2017 Power Transformers - Part 6: Reactors so strukturno podobni, a se razlikujejo v specifičnih zahtevah in implementacijskih detaljih. Oba sklicujeta na IEC 60076 - 6, a sta prilagojena nacionalnim potrebam, kar vodi do razlik v ravnih izolacije, mejah temperaturnega povečanja in metodah računanja izgub. Te razlike zahtevajo pazljivo ravnanje med prilagoditvijo tehnologije.

• Prilagodljivost klimatu: Tropski klima v Braziliji (npr. regija Silvânia: letno povprečna temperatura >25°C, relativna vlaga ≥80%) postavlja višje zahteve glede toplinskega odpovedovanja in izolacije. Tak topel in vlagen okoljski pogoj težko izaziva tradicionalne električne naprave glede izolacije in življenjske dobe.

• Prilagoditev karakteristik mreže: Brazilska 500kV mreža ima napetostne fluktuacije ~15% višje od kitajskih istolevelnih mrež, z različnimi harmoničnimi okolji. Reaktorji potrebujejo močnejše prilagodljivost napetosti in odpornost na harmonike.

• Lokalizirane potrebe za vzdrževanjem in delovanjem (O&M): Za zagotavljanje dolgoročno zanesljivega delovanja morajo biti upoštevane lokalizirane zmogljivosti/habiti za vzdrževanje in delovanje, ki zajemajo tehnično usposabljanje, oskrbo s rezervnimi deli in lokalizirane storitve.

2.2 Prilagoditev in inovacije tehničnih standardov

Za reševanje zgornjih izzivov ta raziskava je uporabila inovativne ukrepe, najpomembnejše pa so bile prilagoditve tehničnih standardov in specifikacij pred projektom, temeljene na dejanskem uporabi in preskušanju novega suhega reaktorja. To je rešilo tehnološke probleme prilagoditve in pružilo ključen sklic za podobne projekte.

Ključne spremembe tehničnih standardov:

• Preklic testa delnega razsevanja:Zunanje korona motnje na suhih reaktorjih presegajo njihovo notranje delno razsevanje. Brez zrelih metod/testov za motnje delnega razsevanja in glede na to, da se NBR 5356 - 11 - 2016 uporablja samo za nizkonapetostne suhe transformatorje (brez zunanje motnje) in IEEE C57.21 izvzame suhe shunt reaktorje iz takšnih testov, je bil test delnega razsevanja za 500kV suhe reaktorje preklican.

• Optimizacija izolacije in časov testiranja:Glede na braziloslovanske standarde je udarno trpljenje napedov 1550kV in operacijsko trpljenje napedov 1175kV. Zaradi impedanc reaktorja so časovni parametri testa preklapljanja prilagodjeni na Td ≥ 120 μs in Tz ≥ 500 μs.

• Izboljšanje toplinskega odpovedovanja:Za toplo in vlago v Braziliji je razvita nova sestavljena struktura za toplinsko odpovedovanje z izolacijo razreda H (180°C) (povečuje toplinsko odpornost za 30°C v primerjavi s tradicionalnimi dizajni). Termalne simulacije kažejo, da ostane temperaturno povečanje točk toplote znotraj 60K (pod mejami za dizajn).

• Prilagoditev metode računanja izgub:Izgube reaktorja vključujejo DC uporov izgube navijanja (Pdc) in dodatne izgube navijanja (Pa). Za dano strukturo reaktorja so Pdc in Pa sorazmerni s kvadratom toka. Z uporabo transponiranih vodnikov in le nekaj majhnih vodnih kovinskih komponent (kot so konektorji) na povezovalnih točkah (nevtralni), predstavljajo dodatne izgube nizko proporcijo DC izgub. Rezultati preskusov kažejo, da so dodatne izgube prototipa ~9%–12%, tako da je formula za računanje izgub naslednja:

• Izboljšanje prilagodljivosti napetosti:S optimizacijo elektromagnetnega dizajna je bila razširjena območje prilagodljivosti napetosti opreme, da bi se premagale velike fluktuacije napetosti v brazilske električne mreže. Hkrati je bila izboljšana odpornost opreme na harmonike in zmanjšani harmonični načini z posebnim dizajnom navijanja.

3 Ocena praktičnih učinkov in tehničnih standardov
3.1 Analiza praktičnih učinkov

S svojo uporabo v podstanici Silvânia, je 500kV suh tipa shunt reaktor pokazal odlično delovanje. Po poročilu o preskusu CEPRI - EETC03 - 2022 - 0880 (E), ključni kazalniki:

• Raven izgub: Merjene izgube: 58.367 kW @ 80°C (pod mejama 60 kW), kar potrjuje učinkovite metode računanja in nadzora izgub.

• Kontrola hrupa: Merjeno hrup: 57 dB(A) (dolgo pod zahtevanim 80 dB(A)), zaradi ciljne kontrole hrupa.

• Delovanje temperaturnega povečanja: Povprečno temperaturno povečanje: 22,9 K; povečanje točk toplote: 26,5 K (oba pod mejami za dizajn), kar potrjuje nov hladilni dizajn za klimat v Braziliji.

• Električno delovanje: Dobro delovanje v testih (udarni/operacijski napedi). Uporabljena so bila parametri ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) za operacijske napede, ki upoštevajo impedanco reaktorja.

To dokazuje uporabnost/nadlognost reaktorja v brazilske mreže, še posebej v smislu energetske učinkovitosti/varstva okolja, podpira trajnostni razvoj. Rezultati tudi potrjujejo znanstvene, napredne tehnične specifikacije.

3.2 Ocena optimizacije tehničnih standardov

Na podlagi prakse/delovanja, ekipa predlaga optimizacije:

• Meje izgub: Nižja meja izgub za 500kV/20 Mvar reaktor s 60 kW @ 80°C na 58 kW @ 80°C; uporaba 75°C za referenčno temperaturo računanja izgub.

• Standardi hrupa: Uspesnit standardi (npr. 75 dB(A) za podstanice blizu stanovanjskih območij); upoštevanje hrupa pri različnih napetostih (npr. 600 kV).

• Meje temperaturnega povečanja: Prilagoditev povprečne meje temperaturnega povečanja s 60 K na 50 K; določitev izolacije razreda B (temperaturni indeks 130°C, povprečne/hot - spot povečanja 60/90°C).

• Uskladitev izolacije: Povišanje udarnega trpljenja napedov na 1600 kV (za pogosto udarne napede v Braziliji); uporaba 140 kV napetostni suha trpljenja za neutralno točko. Določitev frekvence preskusa (≥48 Hz, 80% nominalne) in trajanja (≥60 s).

• Prilagodljivost okolju: Dodajanje zahtev za odpornost na solano mlazo (obalne območja); upoštevanje EMF vpliva, določitev razmika. Uporaba ščitov, proti onesnaženju/UV prevlake v dizajnu.

Ti predlogi izboljšajo delovanje/zanesljivost reaktorja, vodijo prihodnje standarde in pomagajo brazilske mreže razvijati učinkovito, zanesljivo in trajnostno.