用于發(fā)電和輸電系統的高壓設備正在繼續發(fā)展，以減低生產(chǎn)成本、提高效率，新近還要求盡可能減小對環(huán)境的影響。在這些設備中，最重要的性能是絕緣。為使絕緣系統安全可靠地運行，絕緣材料的性能、制造工藝和絕緣結構是最主要的話(huà)題。過(guò)去幾十年來(lái)，高壓絕緣系統發(fā)生了一系列變化。
絕緣材料已被改進(jìn)，以增加其所承受的電場(chǎng)強度。例如，旋轉電機的對地工作電壓，在過(guò)去的20年中約增加一倍。
新的絕緣介質(zhì)已被引入，例如，SF6的應用導致SF6斷路器、GIS和GIT等的發(fā)展，優(yōu)良的絕緣性能和先進(jìn)的工藝使其能在高壓電纜、絕緣子和其它高壓設備上應用。
新近，現有的技術(shù)已被應用于一種新的領(lǐng)域，用于輸配電的高壓電纜技術(shù)，現已在發(fā)電機和變壓器中作為高壓繞組，致使一種新型的高壓發(fā)電機：PowerformerTM、新的風(fēng)力發(fā)電體系：WindformerTM和無(wú)油電力變壓器：DryformerTM由此而產(chǎn)生。
本文將詳細介紹這種發(fā)電機和變壓器絕緣系統的最新發(fā)展，特別著(zhù)重于傳統的和新設備絕緣結構和絕緣特性之間的比較。
電力電纜技術(shù)
電力電纜技術(shù)已有很長(cháng)歷史，自19世紀80年代廣泛使用白熾照明系統就已開(kāi)始。20世紀初期，已建成良好的使用絕緣電纜的地下電氣化設施。
在最初的電纜中，空氣是主要的絕緣介質(zhì)，其它地下電纜設備采用諸如天然橡膠、杜仲膠、油和石蠟、麻、棉、松香和瀝青，后來(lái)用礦物油浸漬紙。隨著(zhù)要求越來(lái)越高的電壓，為防止空隙內發(fā)生局部放電，從而發(fā)展了充油電纜。今天，在輸配電系統中主要采用的兩大電力電纜：液體浸漬紙電纜和擠出聚合物電纜。擠出電纜絕緣先是從熱塑性聚乙烯開(kāi)始，但很快被化學(xué)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）取代，由此占領(lǐng)了整個(gè)行業(yè)?，F在，XLPE普遍用于地下配電系統，由于這種技術(shù)的重大進(jìn)步，很快轉向變壓器應用領(lǐng)域。
現今，電力電纜的主要部件是由導體、內外有兩層半導電層的絕緣和護套組成。導體由多股銅或鋁線(xiàn)做成，然后用絕緣材料覆蓋該導體，最后在絕緣外加上金屬護套。
電纜技術(shù)的新應用
應用于DryformerTM和PowerformerTTM的，就是這種具有豐富運行經(jīng)驗的傳統XLPE電纜的絕緣系統，但不需要有金屬屏蔽和護套。在這種應用中，高壓電纜繞組由導體、內半導電層、固體電介質(zhì)和外半導電層組成，在傳統電纜術(shù)語(yǔ)中，通常被稱(chēng)之為電纜芯。該電纜的材料和加工工藝與高壓電纜技術(shù)中所采用的相同。這樣，實(shí)際上與通常使用于電力輸配電系統的電纜完全等同。
與在電纜系統中一樣，新應用也要求有電纜接頭和終端，因為電纜和電纜附件控制了電纜繞組系統的總成本，因此對接頭的總數量可做最佳選擇。但是不同絕緣尺寸的電纜之間總是要用轉換接頭，接頭的位置主要取決于所具有的空間，各種情況也各不相同。
將這種高壓電纜技術(shù)應用于發(fā)電機和變壓器是新絕緣概念的核心，它賦予這種設備提高運行性能新的可能性。
·PowerformerTM
傳統發(fā)電機中，定子繞組由方形絕緣導體棒組成。過(guò)去20年來(lái)，雖然對地工作電壓已經(jīng)增加，但絕緣材料和系統的變化相對較小。對在導體外使用云母帶，再用環(huán)氧或聚酯樹(shù)脂浸漬的發(fā)電機而言，如今的工作場(chǎng)強是2.5kV/mm。
對使用云母帶的絕緣系統來(lái)說(shuō)，非常重要的是在制造過(guò)程中要保持絕緣系統無(wú)空隙，但機械應力和熱循環(huán)會(huì )導致空隙的形成。因此，隨電壓的增高，絕緣內必定會(huì )出現局部放電。
傳統定子線(xiàn)棒的開(kāi)頭是長(cháng)方形的，這就導致導體表面的電場(chǎng)分布不均勻，轉角處的電場(chǎng)強度高。另外，在繞組端部區域，必須采取復雜措施，以控制電場(chǎng)強度，避免發(fā)生局部放電和電暈。傳統發(fā)電機的這種設計原則使其輸出電壓不能超過(guò)30~35kV，而電力輸送的電壓已達到800kV，甚至更高，以傳統發(fā)電機為基礎的發(fā)電廠(chǎng)經(jīng)常需要用升壓變壓器。
與傳統發(fā)電機相反，PowerformerTM的繞組是由擠出XLPE電纜組成，可以避免傳統絕緣結構的電場(chǎng)不均勻性。電纜繞組是圓柱形導體，沿導體表面的電場(chǎng)分布均勻，其定子槽可以加工成適合帶有屏蔽絕緣的電纜繞組的形狀?，F今，這種應用方式的XLPE絕緣的工作場(chǎng)強可以達到15kV/mm，和現有的500kV電纜設施所能達到的一樣。因此，新型發(fā)電機對建造直接能接到輸電系統電壓標準而不需升壓變壓器的高壓發(fā)電機提供了可能，而且還降低了功率損失，提高了效率。PowerformerTM<注：TM為上標>將電力、熱應力、機械應力和磁應力分隔開(kāi)，這樣可以獨立最佳選擇這些基本設計參數，從而可以對與之相關(guān)的材料進(jìn)行改進(jìn)。
1998年春，額定45kV、11MVA和600r/m的發(fā)電機樣機，已在瑞典北部Porjus水電站投入運行。另外三臺發(fā)電機或正在運行，或正在建造。它們是額定容量為136kV、42MVA和3000r/m的汽輪發(fā)電機和155Kv、75MWA和125r/m的水力發(fā)電機。
WindformerTM
以WindformerTM技術(shù)為基礎，最近座落于近海和沿海區域的風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)了新型的風(fēng)力發(fā)電系統WindformerTM。
WindformerTM的典型額定功率是3~5MW。WindformerTM的基本設計特點(diǎn)是定子用高壓電纜繞組（基本原理從PowerformerTM得到），轉子為永久磁鐵，轉子與透平機直接偶合（無(wú)齒輪箱），以及直流集電系統。
WindformerTM的設計在電氣回路方面均達到最佳化。例如，在每個(gè)定子槽內安裝兩排電纜繞組，每相的整個(gè)繞組由一根電纜組成，也就是說(shuō)不需要電纜接頭。通常，WindformerTM被安裝在海上或近海岸。因此，WindformerTM所用的全部材料要仔細選擇，以防止在嚴酷環(huán)境條件下金屬部件生銹，電介質(zhì)老化。
·DryformerTM
在傳統電力變壓器中，絕緣系統主要由礦物油和纖維素紙組成，事實(shí)證明這個(gè)組合具有突出的介電性能和熱性能。從絕緣系統方面看，這是一種非常有效的組合，紙和油本身的介電強度分別達到40和12kV/mm，而該組合的介電強工為64kV/mm。然而，對變壓器而言，由于各種原因，其工作場(chǎng)強只允許1.5kV/mm。油/紙絕緣也有不足之處，例如有著(zhù)火和爆炸的危險、油噴濺的危險等等。
傳統變壓器的油/紙絕緣系統，只有經(jīng)非常徹底的處理過(guò)程，才能得到良好的介電性能。在自然狀態(tài)，紙或紙板典型的含有5～10的潮氣，因此，第一步處理過(guò)程是在高溫（高達130℃）和真空下的完全干燥過(guò)程，以使潮氣含量降低到約0.5；第二步處理過(guò)程是對工作部件（鐵芯、繞組、固定塊和引線(xiàn)）進(jìn)行真空浸漬，使礦物油達到且充滿(mǎn)絕緣系統的所有空隙。單單完全干燥所需時(shí)間可能就要兩個(gè)星期。因此，科技開(kāi)發(fā)人員對電力變壓器的“干式設計”具有極大的興趣?，F有的兩種類(lèi)型是絕緣為SF6氣體變壓器和用模塑環(huán)氧玻璃纖維材料做成的變壓器。SF6氣體絕緣變壓器的電壓等級可以達到275kV。隨環(huán)保要求的提高，人們希望找到一種SF6的替代物。以模塑環(huán)氧玻璃纖維絕緣的變壓器，最高的電壓等級只有36kV左右，主要是因為內部場(chǎng)強超過(guò)了局部放電起始電壓。因為最新推出的干式變壓器DrvformerTM既不含油，也不用紙，不存在與可燃性油有關(guān)的危險，也不需要昂貴的完全干透過(guò)程。
傳統變壓器和DrvformerTM之間的差距不僅在絕緣材料，而且在絕緣結構上。
對傳統的電力變壓器，絕緣系統由兩部分組成：主絕緣和匝間絕緣。主絕緣是繞組和接地部件之間的絕緣，包括油、紙和紙板。主絕緣不僅必須承受因雷電和斷路器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓，還必須承受交流電應力。對匝間絕緣，其設計要求主要是瞬時(shí)過(guò)電壓的影響。對匝間絕緣模型的電場(chǎng)分析表明，電場(chǎng)強度在繞組邊緣之間的油隙中大大增加。對用電纜繞組的DrvformerTM不存在這樣的問(wèn)題，因為外半導電層是接地的，電纜繞組的絕緣只須起傳統變壓器中主絕緣的作用。
另外，高壓電纜技術(shù)與變壓器技術(shù)的組合可以呈現將各種零部件的功能分新型設計。例如，在傳統變壓器中，絕緣系統的介電強度、繞組的機械強度和耐熱極限互相依存，而在新技術(shù)中，不同功能性可以獨立做到最佳狀態(tài)。
第一臺DrvformerTM機組是52/17kV，10MVA單相變壓器，建造的主要目的是概念演示和驗證設計思路。第二臺是為BirkaEnergi－瑞典的公用事業(yè)創(chuàng )造的商用機組，容量為20MVA，140/6.6kV，安被安裝在Lottefors水電站。第三臺也已安裝完畢。
高壓電纜繞組的一般特性
1、電場(chǎng)強度
2、電纜表面接地
外層地點(diǎn)的接觸電阻十分重要。外半導電層的電阻率必須要在某一范圍：電阻率太高，會(huì )引起半導電層兩接觸點(diǎn)之間的電位太高；電阻率太低，會(huì )導致半導電層中的功率損失增大。半導電層和接地系統之間保持良好接觸也很重要。
帶屏蔽絕緣的繞組對新型發(fā)電機和變壓器Y連接的電纜繞組而言，在交流電壓下，電場(chǎng)強度沿電纜繞組的直線(xiàn)端部到中性點(diǎn)逐漸降低。因此為盡量減少絕緣的使用量，電纜繞組可以用幾段不同絕緣厚度的高壓電纜組成。
沿繞組的沖擊電壓分布與在交流電壓下不同，每段電纜的絕緣強度必須能承受作用于端部的部分瞬時(shí)過(guò)電壓，絕緣厚度也必須考慮這個(gè)情況。
工作場(chǎng)強應當注意，電纜技術(shù)的應用簡(jiǎn)化了發(fā)電機和變壓器的絕緣設計。如今的電纜絕緣材料和生產(chǎn)技術(shù)（例如干法交聯(lián)、超凈生產(chǎn)和三重擠出）可以制得工作場(chǎng)強15kV/mm以上的可靠的電纜。在新型發(fā)電機和變壓器的絕緣設計中，目前，工作場(chǎng)強控制在10Kv/mm左右，這是根據實(shí)際情況在考慮中的電壓范圍內選定。在將來(lái)，將引入更高的電場(chǎng)強度。這樣高的電場(chǎng)強度對基于云母和環(huán)氧的傳統油絕緣是不可能達到的。繞組電纜沿導體表面的均勻電場(chǎng)分布，因此電纜的絕緣被充分利用。
機械方面，為避免因振動(dòng)而引起外半導電層的磨損，PowerformerTM在電纜和槽壁之間的間隙墊入硅橡膠三角帶，使電纜繞組牢固地固定在槽內。由硅橡膠襯墊提供的固定力還能適應電纜絕緣熱膨脹的要求，同時(shí)也使外半導電層與接地的定子鐵芯保持良好接觸。
與PowerformerTM，WinformerTM在槽部設計和纏繞方法上有自己的特點(diǎn)，其中之一是每個(gè)槽內有兩排電纜繞組，因此將電纜固定在槽內采用了不同的方法。對DryformerTM，電纜繞組的外半導電層的電阻率目前約為40Ω-cm，為控制表面電位，電纜繞組的外表面每匝有一個(gè)點(diǎn)交流接地。
熱方面由于PowerformerTM定子繞組電纜中的電流很小，因此歐姆損耗與鐵耗的比率要比傳統發(fā)電機低得多，大部分熱量是由處于地電位的定子鐵心產(chǎn)生，這樣大大簡(jiǎn)化了冷卻系統。在PowerformerTM定子鐵芯中安裝水冷卻回路，使系統保持在可接受的溫度值。PowerformerTM目前設計的電纜導體的額定運行溫度為70℃，低于XLPE電纜的運行溫度，通常XLPE電纜絕緣材料的額定值是連續運行條件下90℃，這就是說(shuō)PowerformerTM具有過(guò)載能力。
在傳統變壓器中，用油既作為絕緣，又作為冷卻媒質(zhì)，因此，兩種功能之間具有不可分割的聯(lián)系。然而對DryformerTM而言，介電絕緣和冷卻之間聯(lián)系極小，可以?xún)?yōu)化選擇空冷或水冷系統，只要能使運行溫度保持在規定值之內。
結論
云母/環(huán)氧和油/纖維素紙統治旋轉電機和電力變壓器的絕緣系統已有100多年的歷史。然而近幾年來(lái)，XLPE電纜已被引入發(fā)電機和變壓器作為高壓繞組用，這樣就導致新型發(fā)電機（PowerformerTM）、新型風(fēng)力發(fā)電系統（WindformerTM）和新型變壓器（DryformerTM）的產(chǎn)生。新型高壓發(fā)電機和變壓器具有效率高、壽命長(cháng)及對環(huán)境影響小等特點(diǎn)，這給予高壓設備設計新的可能性，所推出的產(chǎn)品代表了高壓電磁學(xué)利用Maxwell議程中的潛能的可能性。