Технічні характеристики та стандарти застосування сухих паралельних реакторів напруги 500 кВ у Бразилії

1 Технічні характеристики та посилання на стандартні вимоги до шунтних реакторів сухого типу напруги 500 кВ
1.1 Технічні характеристики

Шунтний реактор сухого типу напруги 500 кВ, який є безмасляним електрообладнанням для систем передачі електроенергії надвисокої напруги, має ключові характеристики, такі як сучасна ізоляція, інноваційне теплообмін, оптимізований електромагнітний дизайн та модульна структура. Ці переваги, які перевершують традиційні масляні реактори, також стимулюють нові технічні стандарти.

• Сучасна ізоляція: Використання лівівки епоксидного смоли з нанокомпозитами (з частинками nano-SiO₂, які підвищують проривну напругу епоксидної смоли на ~40% та початкову напругу локальних розрядів на 25%) підвищує ізоляцію та стійкість до локальних розрядів. Цей прорив вимагає перегляду рівнів ізоляції та методів тестування локальних розрядів у стандартах.

• Інноваційне теплообмін: Композитна структура (багатоканальне примусове повітряне охолодження + тепловиділення за допомогою матеріалів з фазовим переходом) тримає температурний підйом гарячих точок в межах 60K (що значно нижче меж IEC, підтверджено аналізом скінченних елементів та експериментами). Потрібні нові методи та межі тестування температурного підйому у стандартах.

• Оптимізований електромагнітний дизайн: Багаторівневий черговий обмотка та градієнтна ізоляція оптимізують розподіл електричного поля, покращуючи стійкість до коротких замикань. Аналіз скінченних елементів показує зменшення максимального електричного поля в обмотках на ~20%. Стандарти повинні додати методи оцінки розподілу електричного поля та стійкості до коротких замикань.

• Модульна структура: Складається з послідовно з'єднаних однакових базових одиниць, спрощуючи виробництво, транспортування та монтаж на місці. Стандарти потребують вимог до тестування надійності міжмодульних з'єднань та загальної стабільності продуктивності.

1.2 Посилання та формулювання технічних стандартів

У процесі застосування технології шунтних реакторів сухого типу напруги 500 кВ в Бразилії, важливу роль відіграли технічні стандарти. Дослідницька команда детально вивчила бразильський електротехнічний стандарт ABNT NBR 5356 - 6 Трансформатор. Частина 6: Реактори, а також поєднала міжнародні стандарти, такі як IEC 60076 - 6 Енергетичні трансформатори. Частина 6: Реактори та IEEE Std C57.12.90 - 2021 Стандартні процедури тестування для розподільчих, енергетичних та регулювальних трансформаторів, залитих рідиною, для розробки технічної специфікації шунтного реактора сухого типу напруги 500 кВ, придатної для бразильського контексту.

Основні аспекти при формулюванні специфікації:

• Рівень ізоляції: Згідно з потребами бразильської мережі, вимоги до ізоляції були підвищені (проривна напруга від блискавок: 1550 кВ; проривна напруга при роботі: 1175 кВ — вище, ніж китайські стандарти, але придатні для мережі). За NBR5356 - 6, час переключення імпульсу Tz ≥ 1000 μs та Td ≥ 200 μs.

• Температурний підйом та теплообмін: Для високотемпературного середовища Бразилії, межа середнього температурного підйому була знижена з 60K до 50K (завдяки інноваційному проекту охолодження, що підвищує безпеку). Додано аналіз термографічного зображення та довготривале моніторинг температури для композитної структури охолодження.

• Вимоги до втрат та розрахунок: Розроблено відповідно до бразильських стандартів з межею втрат через інтерференцію 0,3%. За допомогою Припису B.2 IEEE Std C57.12.90 - 2021, було створено модель перетворення втрат 50Hz-60Hz, забезпечуючи точні та порівнянні розрахунки втрат на різних частотах.

• Придатність до середовища: Для вологого та жаркого клімату Бразилії, додано вимоги до стійкості до солоного туману, забруднення, відблисків та УФ-випромінювання, щоб підвищити довготривальну надійність. Сформульовано тестування, такі як прагнення старіння та цикли вологого тепла.

2 Практичне застосування шунтних реакторів сухого типу напруги 500 кВ в Бразилії
2.1 Виклики при впровадженні технології та адаптації стандартів

Застосування технології шунтних реакторів сухого типу напруги 500 кВ в електроенергетичній системі Бразилії викликає багато викликів, що потребують рішень таких ключових питань:

• Різниця технічних стандартів: Бразильський стандарт ABNT NBR 5356 - 6 Трансформатор. Частина 6: Реактори та китайський стандарт GB/T 1094.6 - 2017 Енергетичні трансформатори. Частина 6: Реактори мають подібну структуру, але відрізняються конкретними вимогами та деталями реалізації. Обидва стандарти посилаються на IEC 60076 - 6, але адаптовані до національних потреб, відрізняючись за рівнями ізоляції, межами температурного підйому та методами розрахунку втрат. Ці відмінності вимагають обережного підходу під час адаптації технології.

• Придатність до клімату: Тропічний клімат Бразилії (наприклад, регіон Сільвания: середня річна температура >25°C, відносна вологість ≥80%) ставить високі вимоги до теплообміну та ізоляції. Таке жарке та вологе середовище сильно викликає традиційне електрообладнання, їх ізоляцію та строк служби.

• Адаптація до характеристик мережі: Мережа 500 кВ в Бразилії має коливання напруги на ~15% вище, ніж аналогічні мережі в Китаї, з різними гармонічними середовищами. Реакторам потрібна більша стійкість до напруги та антигармонічна продуктивність.

• Локалізовані потреби в експлуатації та обслуговуванні (ЕО): Для забезпечення довготривалої надійної роботи, необхідно враховувати локалізовані можливості та звички ЕО, що включають технічну підготовку, поставки запасних частин та локалізовані послуги.

2.2 Коригування та інновації технічних стандартів

Для вирішення вищевказаних викликів, це дослідження прийняло інноваційні заходи, найважливішим з яких було коригування технічних стандартів та специфікацій перед проектом на основі фактичного використання та тестування нового реактора сухого типу. Це вирішило питання технічної адаптації та надало ключовий посилання для подібних проектів.

Основні зміни технічних стандартів:

• Скасування тесту на локальні розряди: Зовнішня корональна інтерференція на реакторах сухого типу значно перевищує внутрішні локальні розряди. Без зрілих методів та критеріїв тестування інтерференційних локальних розрядів, враховуючи, що NBR 5356 - 11 - 2016 застосовується лише до низьковольтних трансформаторів сухого типу (без зовнішньої інтерференції) та IEEE C57.21 виключає реактори сухого типу з таких тестів, тест на локальні розряди для реакторів 500 кВ скасовується.

• Оптимізація ізоляції та часу тестування: Згідно з бразильськими стандартами, проривна напруга від блискавок становить 1550 кВ, а проривна напруга при роботі — 1175 кВ. Через імпеданс реактора, параметри часу тестування переключення імпульсу коригуються до Td ≥ 120 μs та Tz ≥ 500 μs.

• Покращення теплообміну: Для високотемпературного та вологого клімату Бразилії розроблена нова композитна структура теплообміну з ізоляцією класу H (180°C), що підвищує стійкість до високих температур на 30°C по відношенню до традиційних конструкцій. Термічні симуляції показують, що температурний підйом гарячих точок залишається в межах 60K (нижче проектних меж).

• Коригування методу розрахунку втрат: Втрати реактора складаються з втрат DC опору обмотки (Pdc) та додаткових втрат обмотки (Pa). Для заданої конструкції реактора, як Pdc, так і Pa пропорційні квадрату струму. Використовуючи транспоновані провідники, а також лише декілька невеликих провідних металевих компонентів (наприклад, з'єднувачі) в точках з'єднання (немагнітні), додаткові втрати становлять невелику частину втрат DC. Результати тестів показують, що додаткові втрати прототипу становлять ~9%–12%, тому формула розрахунку втрат така:

• Покращення стійкості до напруги: Оптимізацією електромагнітного дизайну було розширено діапазон стійкості до напруги обладнання, щоб впоратися з великими коливаннями напруги в бразильській електроенергетичній мережі. Одночасно було покращено антигармонічну продуктивність обладнання, а гармонічні режими були зменшені завдяки спеціальному дизайну обмотки.

3 Оцінка практичних результатів та технічних стандартів
3.1 Аналіз практичних результатів

Благодія застосуванню на підстанції Сільвания, шунтний реактор сухого типу напруги 500 кВ показав відмінну продуктивність. Згідно зі звітом про тестування CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), ключові показники:

• Рівень втрат: Виміряні втрати: 58,367 кВт при 80°C (нижче межі 60 кВт), що підтверджує ефективні методи розрахунку та контролю втрат.

• Контроль шуму: Виміряний шум: 57 дБ(А) (значно нижче вимоги 80 дБ(А)), завдяки фокусованому дизайну з контролем шуму.

• Температурний підйом: Середній температурний підйом: 22,9K; температурний підйом гарячих точок: 26,5K (обидва нижче проектних меж), що підтверджує ефективність нового проекту охолодження для климату Бразилії.

• Електрична продуктивність: Відмінна продуктивність в тестах (проривна напруга від блискавок/при роботі). Використано параметри ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) для проривної напруги при роботі, враховуючи імпеданс реактора.

Це підтверджує придатність та переваги реактора в електроенергетичній мережі Бразилії, особливо в плані енергоефективності та захисту навколишнього середовища, підтримуючи стале розвиток. Результати також підтверджують наукові та прогресивні технічні специфікації.

3.2 Оцінка оптимізації технічних стандартів

На основі практики та експлуатації, команда пропонує оптимізації:

• Межі втрат: Знизити межу втрат для реактора 500 кВ/20 Мвар з 60 кВт при 80°C до 58 кВт при 80°C; використовувати 75°C для референціального розрахунку втрат.

• Стандарти шуму: Вдосконалити стандарти (наприклад, 75 дБ(А) для підстанцій поблизу житлових районів); враховувати шум при різних напругах (наприклад, 600 кВ).

• Межі температурного підйому: Змінити межу середнього температурного підйому з 60K до 50K; вказати ізоляцію класу B (температура індексу 130°C, середній/гарячі точки підйому 60/90°C).

• Координація ізоляції: Підвищити проривну напругу від блискавок до 1600 кВ (з метою частих блискавок в Бразилії); використовувати суху стійкість до напруги промислової частоти 140 кВ для ізоляції нейтральної точки. Визначити частоту тесту (≥48 Гц, 80% номінальної) та тривалість (≥60 с).

• Придатність до середовища: Додати вимоги до стійкості до солоного туману (прибережні райони); враховувати вплив електромагнітного поля, встановити відстані. Використовувати щити, антизабруднюючі та UV-покриття в дизайні.

Ці пропозиції підвищать продуктивність та надійність реакторів, нададуть керівництво для майбутніх стандартів та допоможуть ефективному, надійному та сталому розвитку електроенергетичної мережі Бразилії.