新能源与高效节能

适用于北方农宅的太阳能综合利用研究

基于对中国北方农宅建筑形式以及农民生活模式的研究发现,目前我国北方农宅冬季燃煤量已经达到1.0亿吨标煤,由此造成的碳排放已经达到3亿吨左右。由于小型燃煤锅炉燃烧效率低,不仅造成了能源浪费,也对室内外环境造成了污染的严重。据测试,在农村居民燃煤供暖过程中,室内PM2.5的排放浓度是国家标准的100倍左右,严重威胁农村居民的身体健康。根据哈佛大学公共卫生学院的预测报告,如果我国农村固体燃料利用方式无任何改进并保持现有室内吸烟状况,我国2003~2033年将有6500万人死于慢性阻塞性肺病(COPD),1800万人死于肺癌,由该两种病因引起的死亡人数将分别占这30年间总死亡人数的19%和8%。据我国现在试行的新型农村合作医疗补贴政策,国家每年仅补贴患有慢性阻塞性肺病和肺癌的农村病患就要花费331.6亿元。 为能够有效降低北方农宅采暖用煤量,以及明显改善室内外人居环境,基于北方农宅建筑形式、农村居民生活模式、资源条件等因素,提出北方“零煤耗”农宅这一理念,并基于此理念,开展太阳能综合热利用研究,提出了一套适用于北方农宅的太阳能综合热利用方案,即在农宅本体保温以及被动式太阳能热利用的基础上,开发低成本、高效的太阳能空气集热系统,如此规避太阳能热水系统在农宅应用过程中的一系列弊病,同时改善太阳能利用过程中的经济性,为太阳能在农村市场的进一步拓展奠定技术基础。

新能源与高效节能

氟碳气体替代SF6气体绝缘的新型开关

六氟化硫(SF6)气体以其优良的绝缘性能和灭弧性能广泛应用于高压、超高压和特高压电力设备中。但是,SF6气体的全球温暖化潜能值是二氧化碳的23900倍,在《京都议定书》中被列为限制使用的六种气体之一。并且,采用SF6气体的输变电设备成本高、价格贵,SF6的放电生成物含有剧毒,影响人身健康,因此,发达国家的研究人员正试图寻找能够代替SF6用于输变电设备的新介质,以减少或杜绝SF6的使用。 目前使用SF6/N2混合气体代替SF6是该类研究的一个方向,也是新一代气体绝缘电力设备的主要技术革新点,但该方案未能杜绝SF6的使用。逐渐杜绝SF6气体的使用正成为国内外科研人员和电力专家的共识。 中国科学院电工研究所通过实验发现了几种氟碳类混合气体可代替SF6气体。这些氟碳类混合气体无毒、臭氧层破坏潜能值为零,温室效应潜能值低,工频击穿强度和局部放电起始电压高,价格适中,具备了替代SF6气体的技术可行性和经济合理性。使用氟碳混合气体代替SF6气体用于气体绝缘电力设备,既保持了气体绝缘电力设备的各种优点,又杜绝了SF6的使用,能够降低生产成本和环境破坏影响,符合国家节能减排政策,市场成熟期能产生显著经济效益。以氟碳混合气体为研究对象,针对其局部放电性能、灭弧性能、传热性能展开了大量基础实验研究,并综合环保、成本、性能等多方面因素,探讨了使用氟碳混合气体替代SF6气体的可行性,初步验证了使用氟碳混合气体替代SF6气体用于12~40.5kV的电力设备具有可行性。 使用氟碳混合气体替代SF6气体用于中压开关设备的绝缘气体,其全球温暖化潜能值降低为SF6的7~9%,而开关设备的体积及通流能力基本不变。 二、 应用范围 中压等级的气体绝缘开关,利用真空灭弧室进行开断,低压气体介质绝缘,具有体积小,安全和可靠性高、不易受环境影响等优点,尤其适用于高海拔,潮湿,污秽等恶劣的环境,在城市配电等领域也有大量应用,正逐渐成为中压开关领域的主流产品。其使用场合如下。 1)城市电网建设、城市地铁、轻轨、高层建筑、大型工矿企业以及特殊使用场合; 2)温度变化大和高湿环境(如湿热带地区)、高温及低温地区(如沙漠地区和南北两极区)、环境中含有自然物质(如沿海的盐雾、工业粉尘)或化学性腐蚀物质(化工厂、炼油厂)的地方,还有地震区、有震动的场合; 3)高原地区及安装受限制的狭窄场合等;苛刻、严酷环境

先进制造技术

采用回路热管技术的输变电设备用新型高效换热器

输变电设备,如变压器、电抗器、互感器等,一般采用空气或者绝缘油作为绝缘和冷却介质。传统的冷却方式,一般有空冷、风冷、水冷等,即通过比热换热的原理,使用空气或水作为冷却介质,通过换热器与运行中的输变电设备的冷却介质进行热量交换。上述三种冷却方式对应的冷却器分别是片式散热器、风冷冷却器和水冷冷却器,但是多年的运行经验表明,以上传统冷却器都有其固有的缺陷和问题,越来越不能满足新形势下城市电网中输变电设备大容量、低噪音、小体积的需求。 采用回路热管技术的新型高效换热器技术,打破了传统输变电设备冷却技术的比热换热原理,研发出采用不燃、高绝缘强度的氟碳介质进行自然循环相变换热的换热器,有效地解决了上述散热、噪音、泄漏等问题,有以下几个主要特点: (1)由于氟碳介质的汽化潜热较比热值大得多,因此换热器中氟碳介质蒸发侧的换热系数可达几百到几千W/m2K,大大提高了换热效率,减小了冷却系统的体积和重量,降低了成本; (2)冷却系统在运行中呈自然循环方式,不需要泵,极大提高了运行可靠性,并降低了噪音,从根本解决了噪音扰民的问题; (3)换热器运行压力低,工作气压相对水冷却器的水压减小了一个数量级,降低了对冷却器机械强度和密封的要求,也减小了泄漏的原动力; (4)因氟碳介质的电绝缘水平高,即使出现泄漏,漏入并混合进变压器油中也不会造成变压器的绝缘事故; (5)可实现移位换热。采用热管技术的新型高效换热器技术是一种二级冷却方式,能有效地将热能通过氟碳介质的相变从地下热源转移至地面上来,或从A处转移至B处,为移位换热输变电设备和系统的紧凑设计和高效运行提供条件; (6)换热器结构多样化、个性化设计,可因地制宜,根据设备类型、结构和安装环境等因素设计最优的冷却系统工作方式。

电子信息技术

特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价软件包

特高压换流变压器的作用是向换流站提供交流功率或从换流站接收交流功率,并且将网侧的电压变换成阀侧所需的电压,反之亦然。由于特高压直流输电的特殊性及运行条件的复杂性,换流变压器从结构设计、绝缘材料特性、运行特性等方面与普通电力变压器相比有很大差异。这主要表现在绝缘材料尤其是固体绝缘材料性能参数的实验研究较少导致绝缘材料特性不明确、特高压换流变压器的电气特性探索处于起步阶段、换流变压器绝缘系统的可靠性评价判据及相关试验方法不完善等。 然而,我国的特高压直流输电工程正处于规划建设和快速发展阶段,尚缺乏±800kV特高压直流输电长期运行的经验。因此,有必要结合特高压直流输电的特征,开展换流变压器绝缘材料性能的实验研究,并以此为基础,评价交直流复合电场下换流变压器的绝缘可靠性,开发特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价的软件包,为提高特高压换流变压器的绝缘性能和延长其使用寿命提供客观丰富的实验依据和理论支持。 为适应我国电力行业特高压输电极其良好的发展机遇和市场需求,电工所正在开展“特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价软件包”的基础实验研究与软件包开发。 针对绝缘材料特性的基础性试验匮乏和交、直流独立评价绝缘可靠性的缺陷,从实验研究入手,研究绝缘材料的电导率、介电系数、介质损耗等特性及绝缘系统的电气性能,并建立特高压换流变压器绝缘系统可靠性评价的统一判据。在此基础上,开发特高压换流变压器绝缘材料特性与绝缘可靠性评价软件包,该软件包的具体技术特点如下: 具备特高压换流变主要绝缘材料随温度、湿度、电场强度等变化的典型参数库; 提供特高压换流变压器主要绝缘材料电导率、介电系数、介质损耗等性能参数的函数表达式,如绝缘油、油浸纸、纸板等,分析主要绝缘材料的特性规律; 提供多维场下特高压换流变压器绝缘系统电气性能的函数表达式,如交流、直流、交直流复合电场、极性反转、谐波等,分析其电气性能; 提供交、直流复合电场下绝缘系统可靠性评价的统一判据及许用值,输入工厂试验或经验值,可自动判断绝缘系统的绝缘强度、绝缘可靠性等; 可自定义绝缘材料的参数库,自定义绝缘材料参数性能、电气性能的模型等,进行绝缘材料特性的计算与分析; 封装绝缘参数性能各数据的参数选择、统计分析和机器学习等算法,可实现绝缘材料特征量的筛选提取、与绝缘性能的关联分析、数据处理

电子信息技术

220kV城市电网地下变电站用不燃型液浸变压器

随着我国城市化进程加快,一些郊区变电站逐渐变成了市区变电站;也有些城市中心变电站需要在安装场地不增加的前提下,大幅度地扩容改造。在这些变电站的改造和建设过程中,无油化及防火阻燃的消防要求迫使供电部门不得不采用全新的、具有不燃或难燃性能的电力变压器。目前国际和国内电力变压器的发展趋势,是进一步向大容量、高电压、无油化、高效化方向发展,城网用变压器向高阻抗、不燃、防爆、低噪音方向发展。 现有的大容量电力变压器都是采用普通的矿物油作为绝缘和冷却介质,而普通变压器油具有易燃性、易爆性(如下图所示)。为防备变压器起火后的火灾规模扩大,很多油浸式变压器配备有水喷雾灭火装置或排油注氮灭火装置,使设备投资扩大,且只能灾后补救,不能预防矿物油的燃烧,事故隐患依然存在。 部分城市为提高消防等级,使用了不燃的六氟化硫气体绝缘变压器,但其缺点是冷却效率不高,过负荷能力低,成本昂贵(是油变的2.5~3.0倍),制作周期也比较长,且存在环保问题,难以满足我国输变电行业对不燃型变压器的需求。目前国内的六氟化硫气体绝缘变压器产品一般为110kV电压等级,提升至220kV需要进一步解决绝缘、散热等方面的问题。 不燃型氟碳化合物绝缘液浸变压器利用具有不燃不爆、绿色环保、绝缘强度高等特性的氟碳介质代替变压器油作为绝缘和冷却介质,通过研发采用氟碳介质的全新的绝缘结构和冷却系统的变压器,可以从全新的意义上很好地解决上述问题。利用冷却介质不可燃的特性,可提高城网的消防安全水平;氟碳介质自循环相变冷却的结构,可降低设备运行噪声;具有能耗低、噪音小、不燃防爆、安全可靠、经济高效、绿色环保、成本适中的特点。 不燃型液浸电力变压器代替六氟化硫气体绝缘变压器可以降低设备投资,代替普通的油浸式电力变压器可提高防火安全水平,因此具有巨大的社会效益和可观的经济效益。

电子信息技术

热管式电力设备高效冷却器

大容量的电力设备一般采用水冷却器进行冷却。水冷却器大大提高了冷却效果,但其造价昂贵,城市取水受到限制,且水费较贵。若使用循环水,冷却器内又易产生水垢,影响冷却效果。更为致命的是,由于大容量电力设备的冷却和绝缘介质一般是变压器油,如果水冷却器在运行中发生泄漏,冷却用水泄漏到电力设备的油侧并与变压器油混合,极易引起绝缘事故,严重影响电力设备的安全运行。 为消除水冷冷却器的泄漏隐患,有方案设计出双管式或双板式水冷冷却器,对双管或双板中间的空间定期检测,以备发现泄漏及时报警。该结构增加了生产成本,降低了整机的换热效率,却又不能完全避免水泄漏的发生。有方案把水冷冷却器中的水用变压器油取代,称为油油冷却器。其最大的优点是,即使发生泄漏,渗漏到电力设备内的仍然是同质的变压器油,不会引起电力设备的绝缘问题。但是变压器油的粘度是水的十倍,比热只有水的一半,冷却介质由水更换为变压器油后,流速减缓,吸热能力减弱,整机的换热效果将大打折扣。 因此,为克服现有电力设备冷却器的冷却效果不高或有泄漏隐患的缺陷,中科研电工所研发出了热管式电力设备高效冷却器,打破了传统冷却技术的比热换热原理,采用不燃、高绝缘强度的氟碳介质自然循环作为冷却介质,以其相变换热带来的强大散热效率来解决现有电力设备冷却器的上述问题。 下图为热管式电力设备高效冷却器的两个实施方式的示意图。图一为热管式油油冷却器,冷却器分为互相隔离的两个油室,热油油室和冷油油室。隔板上安装有若干数量的倾斜的金属换热管,内部填充一定量的氟碳介质,形成热管。为加强换热,金属换热管外壁安装翅片。换热器运行时,金属换热管的底部受到变压器油热油的加热,氟碳介质沸腾发生相变,相变产生的蒸汽向上运动到金属换热管的顶部,受到变压器油冷油的冷却,冷凝重新变回液体流回底部,完成换热循环。整个循环自动形成,无需外加驱动力。 图二为热管式油水冷却器,水室和油室之间有密封的真空空间。金属换热管可以倾斜或竖直放置,内部封闭并填充一定量的氟碳介质。通过定期抽取真空空间内的物质检测水室、油室、金属换热管是否泄漏。由于有两层隔板的密封,水更难漏入变压器油中。而金属换热管密封良好,且由于氟碳介质本身具有高介电强度,即使有氟碳介质泄漏入变压器油中,也不会产生绝缘问题。