Anàlisi de Normes i Prestacions Estructurals dels equips de distribució combinats
Normes i Classificació dels Aparells Combinats de Distribució d'Electricitat
Hi ha una varietat relativament gran d'aparells combinats de distribució d'electricitat. Els més utilitzats inclouen subestacions empaquetades, transformadors de caixa, subestacions prefabricades, transformadors combinats, subestacions de caixa estil europeu i subestacions de caixa estil americà.
Normes Relacionades amb els Aparells Combinats de Distribució d'Electricitat
Les normes actualment en vigor per als aparells combinats de distribució d'electricitat a la Xina inclouen principalment: la norma nacional GB/T 17467 - 1998 Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió, la norma de l'indústria mecànica JB/T 10217 - 2000 Transformadors Combinats, i la norma de comanda de l'indústria elèctrica DL/T 537 - 2002 Línies Directrices per a la Selecció de Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió de Caixa.
El 1995, la Comissió Electrotècnica Internacional (IEC) va publicar la norma IEC1330 - 1995 Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió. La norma nacional GB/T 17467 - 1998 Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió és equivalent a la norma IEC1330. En aquesta norma, es defineix una subestació prefabricada com "equips que han passat les proves de tipus i s'utilitzen per transmetre energia elèctrica d'un sistema d'alta tensió a un sistema de baixa tensió. Inclou transformadors, quadres de distribució d'alta i baixa tensió, connexions i equipament auxiliar tancat en una capsa".
La norma de l'indústria mecànica JB/T 10217 - 2000 Transformadors Combinats estableix que la definició estàndard d'un transformador combinat és: "un transformador que combina el cos del transformador, el quadre de commutació, fusibles, reguladors de derivació i l'equipament auxiliar corresponent".
La norma de comanda de l'indústria elèctrica DL/T 537 - 2002 Línies Directrices per a la Selecció de Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió de Caixa va revisar la norma original DL/T 537 - 1993 Condicions Tècniques per a la Comanda de Subestacions de Caixa de 6-35kV, fent que la norma de l'indústria elèctrica per a les subestacions de caixa fos consistent amb l'IEC 1330 - 1995. Les diferències entre la DL/T 537 - 2002 i l'IEC 1330 - 1995 (és a dir, la GB/T 17467 - 1998) es mostren a la Taula 1.
Les tres normes nacionals mencionades anteriorment són totes recomanables. Degut a les diferents característiques de les diverses indústries, cada norma té les seves pròpies peculiaritats. La norma de comanda de l'indústria elèctrica s'ha considerat des del punt de vista de l'usuari, basant-se en normes internacionals (nacionals), i afegeix el contingut introduït a la Taula 1, proporcionant una base més detallada per a la selecció d'equips.
Classificació dels Aparells Combinats de Distribució d'Electricitat
Malgrat les normes mencionades, la nomenclatura dels aparells combinats de distribució d'electricitat en les aplicacions pràctiques no és gaire uniforme, i la classificació també varia. Principalment hi ha dues categories: una és definir només les subestacions prefabricades com a subestacions de caixa estil europeu; l'altra és anomenar col·lectivament tots els aparells combinats de distribució d'electricitat com a subestacions prefabricades, i després dividir les subestacions prefabricades en "subestacions de caixa estil europeu" i "subestacions de caixa estil americà". Alguns proveïdors, per satisfer les necessitats de diferents usuaris, fins i tot tenen un producte amb dos noms.
Anàlisi Estructural i de Rendiment
Subestació Prefabricada Estil Europeu
Durant els anys 70, la Xina va importar equips de distribució d'electricitat integrats de 6-10kV de països europeus com França i Alemanya. Aquest equip innovador integrava els tres components principals d'una subestació (quadre de distribució d'alta tensió, transformador i quadre de distribució de baixa tensió) en una sola carcassa, establint el concepte de subestació prefabricada.
En desembre de 1993, el Ministre d'Electricitat va publicar la norma de l'indústria DL/T 537-1993 "Especificacions Tècniques per a Subestacions Prefabricades de 6-35kV". L'article 3.1 d'aquesta norma defineix explícitament: "Un conjunt complet de distribució compacte que consisteix en equips de distribució d'alta tensió, transformadors, equips de distribució de baixa tensió i dispositius de mesura d'energia elèctrica tancats en una o múltiples armaris, s'anomenarà subestació prefabricada, abreviat com a subestació de caixa." Originat en dissenys europeus, aquesta configuració es va conèixer com a subestació prefabricada estil europeu.
Després de la publicació de la Norma Nacional GB/T 17467-1998 "Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió" el 1998, la terminologia oficial va canviar a "subestació prefabricada". No obstant això, tant els usuaris com els fabricants continuen referint-se a aquests instal·lacions com a subestacions de caixa o subestacions estil europeu en la pràctica comuna.
Característiques Estructurals:
La subestació estil europeu sol tenir tres compartiments funcionals:
Compartiment d'alta tensió
Compartiment de baixa tensió
Compartiment del transformador
Es fan servir dos tipus de configuracions principals:
Disposició lineal: Configuració estàndard
Disposició triangular: Adoptada per requeriments complexos de circuits de baixa tensió
Avantatges de rendiment sobre les subestacions convencionals:
Optimització de la proximitat de la càrrega:
Redueix el radi d'abast de l'energia elèctrica en un 40-60%
Redueix els costos d'inversió en cables en un 25-35%
Redueix les pèrdues en línia en un 15-20%
Eficiència espacial:
Ocupa aproximadament el 10% de la superfície d'una subestació tradicional
Redueix els costos d'enginyeria civil en un 60-70%
Instal·lació simplificada:
Redueix el temps de construcció al terreny en un 50-60%
Limitacions tècniques i solucions:
El disseny d'encapsulament presenta reptes crítics de gestió tèrmica:
Dissipació de calor restringida eleva la temperatura interna (augment típic ΔT: 8-12°C)
Impactes tèrmics potencials en la estabilitat dels components (degradació estimada del rendiment: 3-5% per cada 10°C d'augment)
Estratègies industrials de mitigació inclouen:
Sistemes de ventilació avançats:
Parelles de recubriments de laberint
Ventiladors d'exhaust axial (capacitat típica de 200-400 CFM)
Mesures de millora tèrmica:
Optimització dels radiadors (superfície augmentada en un 20-30%)
Materials aïllants resistent a la calor (Classe H o superior)
Aquestes solucions, encara que efectives, introdueixen:
Complexitat estructural (ampliació del cicle de fabricació: 15-20%)
Consum addicional d'energia (sistemes auxiliars: 5-8% de la càrrega total)
Emisions acústiques (augment típic del nivell de soroll: 3-5 dBA)
Avanços Tecnològics Recents:
Els fabricants líder han assolit desenvolupaments de ruptura en la gestió tèrmica:
Configuracions noves de dissipació de calor per als transformadors (millora de l'eficiència: 12-15%)
Aerodinàmica optimitzada de la carcassa (reducció de la temperatura: 6-8°C)
Disseny de capacitat elevada certificat (≥800kVA) sense ventilació forçada
Compliment amb la norma GB 1094.11 de limitacions tèrmiques dels transformadors secos (augment màxim de la temperatura del bobinat: 100K)
Aquestes innovacions mantenen el compliment amb les normes nacionals mentre aconsegueixen:
Estalvi d'energia (reducció de la potència dels ventiladors: 100%)
Reducció del nivell de soroll (4-7 dBA)
Millora de la fiabilitat operativa (millora de la MTBF: 20-25%)
Subestacions de Caixa Estil Americà (Transformadors Combinats)
Durant els anys 90, els transformadors de distribució trifàsics compartimentats d'estil americà van entrar al mercat xinès. Segons la Norma Nacional Americana (ANSI) C57.12.26 - 1992 Norma per a Transformadors de Distribució Trifàsics Autorefrigerats Compartimentats amb Connexions d'Alta Tensió a Placa, els cables d'alta tensió es connecten al transformador a través de connectors de cable al compartiment d'alta tensió, i els cables de baixa tensió es connecten als terminals de baixa tensió amb bolts al compartiment de baixa tensió. La cuixa del transformador compartimentat amb placa està dotada de fusibles d'alta tensió i interruptors de càrrega de quatre posicions. El transformador pot funcionar com a terminal o en una xarxa en anell, protegint i controlant l'estat de subministrament a l'costat d'alta tensió del transformador.
Els fabricants de transformadors a la Xina han afegit interruptors automàtics de baixa tensió i comptadors d'electricitat als compartiments de baixa tensió dels productes d'estil americà, convertint-los en aparells combinats de distribució d'electricitat. Aquests aparells es fan servir ampliament en comunitats residencials. Per distingir-los de les subestacions de caixa d'estil europeu, es diuen subestacions de caixa d'estil americà, també conegudes com a transformadors combinats. La norma de l'indústria mecànica JB/T 10217 - 2000 Transformadors Combinats explica la definició estàndard dels transformadors combinats (com s'ha mencionat anteriorment). En el 3.7, defineix els "compartiments d'alta i baixa tensió" com "espais on les terminacions dels cables d'alta i baixa tensió i les parts d'operació i control dels components elèctrics estan tancades per taules d'acer, depenent de les parets de la cuixa del transformador". Aquesta és una de les diferències estructurals amb les subestacions de caixa d'estil europeu.
Aquesta norma classifica els transformadors combinats (subestacions de caixa d'estil americà) en dos tipus segons la estructura de la cuixa: tipus de cuixa comuna i tipus de cuixa separada. En el tipus de cuixa comuna, els components elèctrics d'alta tensió comparteixen la cuixa del transformador amb el cos del transformador, denotat per la lletra ZG. En el tipus de cuixa separada, els components elèctrics d'alta tensió com els interruptors de càrrega es col·loquen en una cuixa separada, mentre que altres components elèctrics d'alta tensió i el cos del transformador es col·loquen en una altra cuixa. Els circuits d'oli de les dues cuixes no estan connectats, denotat per la lletra ZF.
Transformadors Combinats de Cuixa Comuna
A més de les avantatges de les subestacions de caixa d'estil europeu, els transformadors combinats de cuixa comuna tenen els següents avantatges:
Menor Superfície: Ocupa aproximadament 3/5 de la superfície d'una subestació de caixa d'estil europeu.
Millor Dissipació de Calor: El transformador està exposat directament, el que és beneficiós per a la dissipació de calor. La estructura és relativament simple, i el preu de venda és relativament baix (aproximadament 3/5 del preu d'una subestació de caixa d'estil europeu).
Transport i Instal·lació Convenients: Menor volum, el que fa que el transport i la instal·lació siguin més convenients.
En el context xinès, les subestacions de caixa d'estil americà importades directament de l'estranger tenen les següents deficiències:
Degradació de l'Oli del Transformador: Quan l'interruptor de càrrega d'alta tensió opera, l'arc generat pot causar la descomposició de l'oli del transformador, afectant la vida útil general de la subestació de caixa d'estil americà.
Funcionament en Falta de Fase: Quan un fusible d'alta tensió es funde, pot causar que el transformador operi en condicions de falta de fase.
Funcionalitat Limitada del Circuit d'Alta Tensió: El circuit d'alta tensió té funcions relativament simples, que no compleixen plenament els requisits de les regulacions actuals d'operació elèctrica. Per exemple, l'interruptor de càrrega d'alta tensió no té un punt de desconexió evident.
Per resoldre aquests problemes, els fabricants locals han fet diverses millores. Com s'ha mencionat anteriorment, s'han afegit interruptors automàtics de baixa tensió (normalment interruptors automàtics intel·ligents) als compartiments de baixa tensió de les subestacions de caixa d'estil americà per aconseguir diverses proteccions de faltes com sobrecàrrega, baixa tensió, curto-circuit i terra. Això elimina el fenomen de fusibles d'alta tensió que es fonen a causa de curtos-circuits o sobrecàrregues en les línies de distribució de baixa tensió, evitant el funcionament en falta de fase del transformador. Segon, s'ha redissenyat la part d'alta tensió. Per exemple, en termes de protecció d'alta tensió, les subestacions de caixa d'estil americà utilitzen interruptors de càrrega per tallar el subministrament de la càrrega i es depenen de fusibles de protecció de reserva i fusibles de connexió per a la protecció completa de la potència.
Transformadors Combinats de Cuixa Separada
Fins ara, la majoria de les subestacions de caixa d'estil americà produïdes per fabricants de transformadors pertanyen al tipus de transformadors combinats de cuixa comuna ZG. Per eliminar les deficiències dels transformadors combinats de cuixa comuna mencionades anteriorment, els fabricants locals de transformadors han separat els components d'alta tensió com els interruptors de càrrega i els fusibles de protecció de reserva de la cuixa d'oli del transformador. S'injecta oli de punt d'igneix elevat en els petits compartiments dels components d'alta tensió com els interruptors de càrrega, i s'injecta oli ordinari No. 25 en la cuixa d'oli del transformador. Això no només resol el problema de la vejeïssa de l'oli del transformador causada pel funcionament de l'interruptor de càrrega, sinó que també afronta el problema de la dissipació de calor causat per l'ús d'oli de punt d'igneix elevat en tota la cuixa d'oli del transformador (a causa de la seva alta viscositat).
Adopció de Transformadors d'Aleaci Amorf
El transformador és el component més gran i que més calor genera en una subestació de caixa. Les seves característiques estructurals i el nivell de pèrdues estan directament relacionats amb el disseny global de la subestació de caixa.
El 1996, la Xina va desenvolupar i produir amb èxit transformadors de distribució amors d'una capacitat inferior a 500 kVA, però la producció era petita i no es va aconseguir una producció en massa. El 1998, la companyia Shanghai Xindian Electric Company va introduir el disseny i la tecnologia de fabricació de transformadors d'aleaci amorf de General Electric (GE) als Estats Units per a la producció en massa. Actualment, hi ha més de 20 fabricants de transformadors d'aleaci amorf. Les pèrdues a buit dels nuclis d'aleaci amorf són el 20% de les de la sèrie S9, mostrant un efecte d'estalvi d'energia molt significatiu.
Les normes ANSI de transformadors de distribució també juguen un paper en el context més ampli de la tecnologia i el mercat de transformadors. Tanmateix, el factor principal que restringeix l'adopció de transformadors d'aleaci amorf en les subestacions de caixa locals és el preu, que requereix que el país implementi polítiques d'incentivació adequades. De fet, hi ha moltes polítiques d'incentivació per a l'ús de transformadors d'aleaci amorf a casa i a l'estranger. Segons els fabricants taiwanèsos, la regió de Taiwan ha elaborat normes estrictes per a productes de transformadors d'aleaci amorf. On els usuaris compren transformadors d'aleaci amorf, poden rebre subvencions basades en la capacitat del transformador, amb una recompensa de deu milers de Dòlars Noves Taïwan per kW.
Comparació entre Subestacions de Caixa d'Estil Europeu i Estil Americà
Com s'ha mencionat anteriorment, tant les subestacions de caixa d'estil americà com les d'estil europeu comparteixen avantatges en termes de volum, superfície i coordinació ambiental. Les subestacions de caixa d'estil americà, que sovint es dissenyen amb referència a les normes rellevants de transformadors de distribució ANSI, tenen certes avantatges sobre les d'estil europeu en aspectes com la superfície, el preu i la dissipació de calor. Per exemple, en el cas de la subestació de caixa DXB(W) - 1.10, els bornadors d'alta i baixa tensió, els reguladors de derivaciión, els conservadors d'oli i les vànues d'escorrentia del transformador estan instal·lats en un dels murs laterals, cadascun tancat en compartiments d'equips d'alta i baixa tensió separats. Així, el transformador forma part de la carcassa de la subestació de caixa, mentre que els altres tres murs laterals estan equipats amb aletes de refrigeració corrugades exposades a l'aire. Això millora les condicions de dissipació de calor i redueix cert
