敞开式立体卷铁心干式变压器在冬奥场馆冰立方的应用

2021-12-23 11:17周有娣刘长英
智能建筑电气技术 2021年5期
关键词:绝缘材料干式铁心

周有娣,刘长英

(1. 北京建筑设计研究院有限公司,北京 100045; 2. 广东海鸿电气有限公司,开平 529000)

1 背景

2022年北京冬奥会期间,国家游泳中心将承接冰壶和轮椅冰壶项目的比赛。为符合2022冬奥会场馆低碳环保的建设方向,本次改造工程中,供配电设备选型完全按照奥组委低碳环保、绿色、可持续的理念,变压器应用了目前行业先进的节能技术产品,即SGB13-RL型敞开式立体卷铁心干式变压器。该节能技术产品采用立体卷铁心结构和NOMEX®芳纶绝缘纸、PIF聚酰亚胺薄膜及艾伦塔斯单组份环保绝缘漆组成的绝缘系统,是一种“高效双节能”(生产节材、运行节能)、绿色环保、安全可靠的变压器产品,与2022北京绿色冬奥的理念高度契合,同时与国家绿色制造的可持续发展目标要求高度相符。

2 敞开式立体卷铁心干式变压器的技术要点

2.1 铁心技术

变压器铁心设计方面采用目前最先进的立体卷结构。相对于传统平面叠铁心,立体卷铁心具有三相平衡、节能、节材、噪音低、漏磁小等优点。具体分析对比如表1所示。

由于立体卷铁心特殊的加工工艺,其可做到材料利用率接近100%,而平面叠铁心的材料利用率约为95%。在相同铁心直径、心柱截面、中心距、窗高的情况下,立体卷铁心与叠片铁心的重量差就是铁轭的重量差。参数对照如表2所示。

结合表2,基于立体卷铁心和平面叠铁心直径、截面、窗高、中心距相同的分析,两种铁心的心柱重量m0是相等的,即铁心重量差△m=m2-m1。计算结果如式(1)~(2)所示:

立体卷铁心和平面叠铁心各项指标对比 表1

铁心参数对照表 表2

m1=3M0×Sg+0.486×D×S×g

(1)

m2=4M0×S×g+2.14×D×S×g

(2)

结合以上数据可推导出:立体卷铁心与叠片铁心的重量差如式(3)所示:

△m=m2-m1=M0×S×g+

1.654×D×S×g

(3)

将立体卷铁心和平面叠铁心参数带入计算,此部分立体卷铁心的硅钢片用量平均下降约18%。结合材料利用率因素,立体卷铁心总体硅钢材料重量可节约23%。以本次“冰立方”应用的2台型号为SGB13-RL-1600/10的敞开式立体卷铁心干式变压器为例,可节省硅钢片用量约1.6t,节能优势明显。

变压器空载损耗公式:P0=Pt× K0×M,考虑到立体卷铁心铁轭部分的损耗增加,假定心柱的单位损耗为Pt1,铁轭的单位损耗为Pt2。立体卷铁心和平面叠铁心的空载损耗下降比较参见表3。

空载损耗下降比较 表3

综合考虑以上各方面因素,相对于平面叠铁心,同容量立体卷铁心的空载损耗可以下降18%~28%。以本次“冰立方”应用的2台型号为SGB13-RL-1600/10的敞开式立体卷铁心干式变压器为例,空载损耗下降1 170W,年运行空载能耗可降低约10 249kWh,节能效果突出。

2.2 绕组技术

变压器绕组结构方面采用电场分布均匀、散热效果好的饼式结构。通常情况下,干式变压器的可靠性受绝缘材料的老化影响较大,老化主要分为热老化和电老化。热老化受负载大小影响较大,负载越大,变压器运行时温度越高,热老化越快。敞开式立体卷铁心变压器绕组合理设定横向散热气道,保证线圈整体散热效果好,从而可以延缓变压器的热老化。

电老化受工作电压、过电压影响,在变压器通电后持续进行。因此,线圈各部位的电场强度分布是否均匀、是否存在场强集中,将很大程度影响绝缘材料电老化的进度。

电场强度可按式(4)计算:

(4)

式中,E为电场强度,V/mm;d为带电导体的间距(含导线匝绝缘),mm;U为带电导体之间的电压,V。

一般情况下,干式变压器线圈内部绝缘体系包含两种或以上绝缘材料。对于树脂绝缘干式变压器来说,其高压线圈绝缘主要由导线绝缘(漆包线或玻璃丝包线)和环氧树脂组成;对于敞开式干式变压器高压线圈绝缘主要为导线绝缘(Nomex纸包线)、绝缘漆和空气组成。图1为包含两种绝缘材料的绝缘体系。

图1 绝缘系统示意图

图1中,d1为其中一种绝缘材料(以下称为绝缘材料1)的厚度,ε1为该材料的介电常数,d2为导体匝绝缘的厚度,ε2为导体匝绝缘的介电常数,U为裸导体间电压。设作用在绝缘材料1上电压为U1,电场强度为E1;作用在导体匝绝缘间的电压为U2,电场强度为E2。

由公式(4)可推导出:

U1=E1×d1

(5)

U2=E2×d2

(6)

绝缘材料的介电常数和电场强度的关系如式(7)所示:

ε1/ε2=E2/E1

(7)

由式(5)和式(6)可知:

U1/U2=E1×d1/E2×d2

(8)

将式(6)带入式(7)可得:

U1/U2=d1ε2/d2ε1

(9)

U=U1+U2

(10)

结合式(9)、(10)可得:

U1=U/(1+d2ε1/d1ε2)

(11)

E1=[U/(1+d2ε1/d1ε2)]/d1

(12)

同理可以求出E2。

本次应用于“冰立方”变压器额定电压为10kV,调压范围为±2×2.5%,最大分接电压10 500V, 三相高压线圈为三角形联结,绕组纵向分为30段,段间距最少为4mm,段间绝缘为空气,介电常数为1;导线匝绝缘以NOMEX®芳纶绝缘纸为主,介电常数为2.5,绝缘厚度为0.3mm,由式(9)可知,作用在导线绝缘(即NOMEX纸)上的最大电场强度E1=[10 500/30/(1+4×2.5/0.3×1)]/0.3=34V/mm;作用在段间空气的最大电场强度E2=[10 500/30/(1+0.3×1/2.5×4)]/4=85V/mm。如此小的电场强度对介质的电子迁移影响很小,因此很难激发局部放电,继而可以延缓变压器的电老化。

变压器绕组绝缘材料应用耐温等级高、绿色环保、阻燃的NOMEX®芳纶绝缘纸、PIF聚酰亚胺薄膜及艾伦塔斯单组份环保绝缘漆。同时,绕组可燃物含量较传统环氧树脂下降约85%。绕组各项主要绿色指标与传统树脂绝缘干式变压器对比如表4所示。

如表4所示,绿色制造干式变压器以NOMEX®纸为主要绝缘材料。NOMEX®纸的特点包括:1)介电常数为1.5~2.5。更接近空气的介电常数,可使作用在空气隙的场强较低;其他H级固体绝缘材料的介电常数,都比NOMEX®纸的介电常数大。2)局部放电起始电压也较高。结合饼式线圈结构场强分布均匀的特点,从产品设计上保证变压器线圈无局部放电。3)具有很好的防潮性能,不吸水,即使在95%相对湿度下,仍可保持完全干燥时90%的介电强度(表5显示了湿度对NOMEX®纸 410-25MM(10MIL)电气特性的影响)。4)在220℃下的化学稳定性好。5)阻燃性好,在220℃高温下氧指数仍大于20.8%。即使在特高温度燃烧,着火后能自熄而不助燃。 美国UL认证NOMEX®纸的阻燃等级为V-0级,属于高阻燃等级。6)当产品达预期运行寿命后,回收很方便,不存在任何影响环保的问题,因此环保性能好,通过UL认证在750℃高温下无有毒有害气体。

敞开式干式变压器和树脂绝缘干式变压器对比表 表4

湿度对Nomex纸电气特性的影响 表5

2.3 结构件技术

变压器夹件、安装底座等结构件应用先进的折弯板式结构,采用不锈钢材料,既减少了整体材料用量,同时又降低了杂散损耗,消除了制造过程中酸洗、磷化、喷漆等不环保工序,而且在变压器寿命终期回收利用率高,高度符合可持续利用的环保理念。

3 敞开式立体卷铁心干式变压器的制造要点

图2为敞开式立体卷铁心干式变压器的简易生产流程图。

图2 简易生产流程图

敞开式立体卷铁心干式变压器的铁心生产加工过程分为开料、卷绕、退火及装配,实现流水线操作,自动化程度高,生产效率高,产品质量稳定可靠。其中,开料工序采用自动化曲线开料技术,使得材料利用率接近100%。卷绕工序采用拥有发明专利的立体卷铁心专有自动化卷绕设备,提高效率的同时,保证硅钢片之间贴合紧密,降低铁心运行时的空载电流和噪音。退火工序同样采用自动化退火装置配合专有的退火曲线,消除了硅钢片在开料和卷绕中产生的应力,将硅钢片的导磁性能基本恢复到初始状态,从而降低空载损耗和空载电流。

敞开式立体卷铁心干式变压器的高压线圈,相对于多数浇注绝缘干式变压器分段圆筒式的线圈结构,无需装配外模,绕制工艺更简单。线圈工序可缩短约1个工作日。

线圈绕制完成后和铁心一起采用VPI设备和真空压力浸渍技术进行浸漆,绝缘漆采用可再生的环保漆,固化后具有良好的电气和机械性能。同时,相对于树脂绝缘干式变压器的高压绕组单独浇注、低压绕组和铁心通常不浇注的工艺,经过整体真空压力浸漆之后,产品整体防潮能力出色,可适应各种极限的潮湿环境。

4 敞开式立体卷铁心干式变压器的经济效益和社会效益

变压器在传输功率的过程中其自身会产生有功功率的损耗(即空载损耗与负载损耗的总和)。通常采用“变压器全年运行成本”这个参数,可反映出变压器运行一年所消耗的电费。具体计算公式如式(13)所示:

Cp={Hpy×(P0+KQ×I0×Se)+

τ×β02(Pk+KQ×Uk×Se)}×E

(13)

式中,Cp为变压器全年运行成本,元;I0为变压器空载电流,%;Hpy为变压器年带电小时数,h;Uk为变压器短路阻抗,%;τ为变压器年最大负载损耗小时数,h;Se为变压器额定容量,kVA;P0为变压器空载损耗,W;KQ为变压器无功当量;Pk为变压器负载损耗,W;β0为变压器初始年高峰负载率;E为电费,元。

表6为相同主材成本下SGB-RL型与SCB型干式变压器性能对比表。

变压器性能对比表 表6

通过表6可知,敞开式立体卷铁心干式变压器的空载损耗、空载电流、负载损耗相对于传统平面叠铁心干式变压器产品均有明显的下降,因此按照公式(13)可知,其运行更节能,更经济。以本次冰立方2台1 600kVA为例,每年可降低能耗11 862kW·h。 按照国家能源局发布的数据,2020年全国供电标准煤耗为305.5g/kW·h,可节约3.6t标准煤,降低约2.5t碳排放,经济效益和社会效益明显。

5 结束语

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