تحلیل استانداردها و عملکرد ساختاری تجهیزات توزیع ترکیبی

استانداردها و طبقه‌بندی دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی

تعداد نسبتاً زیادی از دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی وجود دارد. موارد معمول شامل زیرстанسیون‌های بسته‌بندی شده، ترانسفورماتورهای جعبه‌ای، زیرستانسیون‌های پیش-ساخته، ترانسفورماتورهای ترکیبی، زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی و زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی می‌باشد.

استانداردهای مرتبط با دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی

استانداردهای معتبر فعلی مربوط به دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی در چین عبارتند از: استاندارد ملی GB/T 17467 - 1998 زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین، استاندارد صنعت مکانیک JB/T 10217 - 2000 ترانسفورماتورهای ترکیبی و استاندارد سفارشی صنعت برق DL/T 537 - 2002 راهنمای انتخاب زیرستانسیون‌های جعبه‌ای فشار بالا/فشار پایین پیش‌ساخته.

در سال 1995، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) استاندارد IEC1330 - 1995 زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین را منتشر کرد. استاندارد ملی GB/T 17467 - 1998 زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین معادل استاندارد IEC1330 است. در این استاندارد، یک زیرستانسیون پیش‌ساخته به عنوان "تجهیزاتی که آزمون‌های نوع را پشت سر گذاشته و برای انتقال انرژی الکتریکی از سیستم فشار بالا به سیستم فشار پایین استفاده می‌شود. این تجهیزات شامل ترانسفورماتورها، تجهیزات قطع و تغذیه فشار بالا و پایین، خطوط اتصال و تجهیزات کمکی که در یک پوسته محصور شده‌اند" تعریف شده است.

استاندارد صنعت مکانیک JB/T 10217 - 2000 ترانسفورماتورهای ترکیبی بیان می‌کند که تعریف استاندارد یک ترانسفورماتور ترکیبی عبارت است از: "یک ترانسفورماتور که بدنه ترانسفورماتور، تجهیزات قطع، ابزارهای حفاظتی، تغییر دهنده‌های تاپ و تجهیزات کمکی متناسب را ترکیب می‌کند".

استاندارد سفارشی صنعت برق DL/T 537 - 2002 راهنمای انتخاب زیرستانسیون‌های جعبه‌ای فشار بالا/فشار پایین پیش‌ساخته استاندارد اصلی DL/T 537 - 1993 شرایط فنی سفارش 6-35kV زیرستانسیون‌های جعبه‌ای را بازنگری کرده و استاندارد صنعت برق برای زیرستانسیون‌های جعبه‌ای را با IEC 1330 - 1995 هماهنگ کرده است. تفاوت‌های بین DL/T 537 - 2002 و IEC 1330 - 1995 (یعنی GB/T 17467 - 1998) در جدول 1 نشان داده شده است.

سه استاندارد داخلی فوق همه استانداردهای توصیه شده هستند. به دلیل ویژگی‌های مختلف صنایع مختلف، هر استاندارد ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارد. استاندارد سفارشی صنعت برق از دیدگاه کاربر و بر اساس استانداردهای بین‌المللی (ملی) و با افزودن محتوای معرفی شده در جدول 1، پایه‌ای دقیق‌تر برای انتخاب تجهیزات فراهم می‌کند.

طبقه‌بندی دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی

به رغم استانداردهای ذکر شده، نام‌گذاری دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی در کاربردهای عملی بسیار یکسان نیست و طبقه‌بندی آن نیز متفاوت است. عموماً دو دسته وجود دارد: یکی تعریف زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته فقط به عنوان زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی؛ دیگری تمام دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی را زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته می‌نامد و سپس زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته را به "زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی" و "زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی" تقسیم می‌کند. برخی از تأمین‌کنندگان برای برآوردن نیازهای کاربران مختلف، حتی یک محصول با دو نام دارند.

تحلیل ساختار و عملکرد

زیرستانسیون پیش‌ساخته سبک اروپایی

در دهه 1970، چین تجهیزات توزیع برق یکپارچه 6-10kV را از کشورهای اروپایی مانند فرانسه و آلمان وارد کرد. این تجهیزات نوآورانه سه مؤلفه اصلی یک زیرستانسیون (تجهیزات قطع و تغذیه فشار بالا، ترانسفورماتور و کابینت توزیع فشار پایین) را در یک پوسته یکپارچه جمع کردند و مفهوم یک زیرستانسیون پیش‌ساخته را تأسیس کردند.

در دسامبر 1993، وزارت سابق برق استاندارد صنعتی DL/T 537-1993 "مشخصات فنی زیرستانسیون‌های جعبه‌ای 6-35kV" را منتشر کرد. ماده 3.1 این استاندارد به صراحت تعریف می‌کند: "یک مجموعه توزیع برق کامل فشرده که شامل تجهیزات توزیع فشار بالا، ترانسفورماتورهای قدرت، تجهیزات توزیع فشار پایین و دستگاه‌های اندازه‌گیری انرژی الکتریکی که در یک یا چند جعبه محصور شده‌اند، به عنوان یک زیرستانسیون پیش‌ساخته یا به اختصار زیرستانسیون جعبه‌ای شناخته می‌شود." این ساختار که از طراحی‌های اروپایی نشأت گرفته بود، به طور معمول به عنوان زیرستانسیون پیش‌ساخته سبک اروپایی شناخته می‌شد.

پس از انتشار استاندارد ملی GB/T 17467-1998 "زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین" در سال 1998، اصطلاح رسمی به "زیرستانسیون پیش‌ساخته" تغییر کرد. با این حال، هم کاربران و هم سازندگان همچنان این نصب‌ها را به صورت معمول به عنوان زیرستانسیون‌های جعبه‌ای یا زیرستانسیون‌های سبک اروپایی می‌شناسند.

ویژگی‌های ساختاری:

زیرستانسیون سبک اروپایی معمولاً شامل سه فضای عملکردی است:

• فضای فشار بالا

• فضای فشار پایین

• فضای ترانسفورماتور

دو نوع اصلی ساختار استفاده می‌شود:

• ترتیب خطی: ساختار استاندارد

• ترتیب مثلثی: برای نیازهای پیچیده مدار فشار پایین استفاده می‌شود

مزایای عملکردی نسبت به زیرستانسیون‌های سنتی:

• بهینه‌سازی نزدیکی بار:

• کاهش شعاع تأمین برق 40-60%

• کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری کابل 25-35%

• کاهش ضریب خسارت خط 15-20%

• کارایی فضایی:

• احتیاج به حدود 10% فضای زیرستانسیون سنتی

• کاهش هزینه‌های مهندسی عمرانی 60-70%

• ساده‌سازی نصب:

• کاهش زمان ساخت محلی 50-60%

محدودیت‌های فنی و راه‌حل‌ها:

طراحی جعبه‌ای چالش‌های مدیریت حرارتی بحرانی ایجاد می‌کند:

• محدودیت تخلیه حرارتی باعث افزایش دما درونی (افزایش معمول ΔT: 8-12°C)

• تأثیرات حرارتی ممکن بر پایداری مولفه‌ها (تخمین کاهش عملکرد: 3-5% برای هر 10°C افزایش)

راه‌حل‌های صنعتی شامل:

• سیستم‌های تهویه پیشرفته:

• دیواره‌های جعبه با ساختار لابیرینتی

• فن‌های تخلیه محوری (معمولاً ظرفیت 200-400 CFM)

• تدابیر تقویت حرارتی:

• بهینه‌سازی رادیاتور (افزایش مساحت سطح 20-30%)

• مواد عایق حرارتی مقاوم (کلاس H یا بالاتر)

• این راه‌حل‌ها، در حالی که موثر هستند، باعث می‌شوند:

• 
  

• پیچیدگی ساختاری (تمدید دوره تولید: 15-20%)

• صرف انرژی اضافی (سیستم‌های کمکی: 5-8% از بار کل)

• انتشار صوتی (افزایش سطح صدای معمول: 3-5 dBA)

پیشرفت‌های فنی اخیر:

تولیدکنندگان رهبر در مدیریت حرارتی پیشرفت‌های شگفت‌انگیزی داشته‌اند:

• پیکربندی‌های تخلیه حرارتی نوین برای ترانسفورماتورها (بهبود کارایی: 12-15%)

• بهینه‌سازی آیرودینامیک جعبه (کاهش دما: 6-8°C)

• طراحی‌های ظرفیت بالا (≥800kVA) بدون تهویه اجباری

• مطابقت با محدوده حرارتی ترانسفورماتورهای خشک GB 1094.11 (حداکثر افزایش دما در پیچ: 100K)

این نوآوری‌ها در حالی که مطابق با استانداردهای ملی هستند، به دست می‌آورند:

• صرفه‌جویی در انرژی (کاهش مصرف برق فن‌ها: 100%)

• کاهش سطح صدا (4-7 dBA)

• بهبود قابلیت اطمینان عملیاتی (بهبود MTBF: 20-25%)

زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی (ترانسفورماتورهای ترکیبی)

در دهه 1990، ترانسفورماتورهای توزیع سه‌فازی جعبه‌ای جداگانه آمریکایی وارد بازار چین شدند. بر اساس استاندارد ملی آمریکا (ANSI) C57.12.26 - 1992 استاندارد ترانسفورماتورهای توزیع سه‌فازی خنک‌کننده خودکار جعبه‌ای جداگانه با کانکتورهای فشار بالا، کابل‌های فشار بالا از طریق کانکتورهای کابل در فضای فشار بالا به ترانسفورماتور متصل می‌شوند و کابل‌های فشار پایین از طریق پیچ‌های بولتی در فضای فشار پایین به ترمینال‌های فشار پایین متصل می‌شوند. تانک روغن ترانسفورماتور جعبه‌ای جداگانه با فیوزهای فشار بالا و کلیدهای بارچه چهارموقعیتی مجهز شده است. ترانسفورماتور می‌تواند به عنوان یک ترمینال یا در شبکه حلقه‌ای عمل کند و وضعیت تأمین برق در سمت فشار بالا ترانسفورماتور را محافظت و کنترل کند.

تولیدکنندگان ترانسفورماتور در چین دستگاه‌های قطع برق فشار پایین و دستگاه‌های اندازه‌گیری برق را به فضای فشار پایین محصولات آمریکایی اضافه کرده‌اند و آن‌ها را به دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی تبدیل کرده‌اند. این دستگاه‌ها در جوامع مسکونی گسترده استفاده می‌شوند. برای تمایز آن‌ها از زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی، آن‌ها به عنوان زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی یا به اختصار ترانسفورماتورهای ترکیبی شناخته می‌شوند. استاندارد صنعت مکانیک JB/T 10217 - 2000 ترانسفورماتورهای ترکیبی تعریف استاندارد ترانسفورماتورهای ترکیبی (همانطور که بالا ذکر شد) را شرح می‌دهد. در بخش 3.7، "فضاهای فشار بالا و پایین" را به عنوان "فضاهایی که پایانه‌های کابل فشار بالا و پایین و بخش‌های عملیاتی و کنترلی اجزای الکتریکی در آن‌ها توسط صفحات فولادی محصور شده و بر روی دیواره‌های تانک روغن تکیه می‌کنند" تعریف می‌کند. این یکی از تفاوت‌های ساختاری با زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی است.

این استاندارد ترانسفورماتورهای ترکیبی (زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی) را بر اساس ساختار تانک روغن به دو نوع تقسیم می‌کند: نوع مشترک تانک و نوع جداگانه تانک. در نوع مشترک تانک، اجزای الکتریکی فشار بالا یک تانک روغن مشترک با بدنه ترانسفورماتور دارند که با حرف ZG نشان داده می‌شود. در نوع جداگانه تانک، اجزای الکتریکی فشار بالا مانند کلیدهای بارچه در یک تانک روغن جداگانه قرار داده می‌شوند و سایر اجزای الکتریکی فشار بالا و بدنه ترانسفورماتور در یک تانک روغن دیگر نصب می‌شوند. مسیرهای روغن دو تانک روغن به هم متصل نیستند و با حرف ZF نشان داده می‌شوند.

ترانسفورماتورهای ترکیبی مشترک تانک

به علاوه مزایای زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی، ترانسفورماتورهای ترکیبی مشترک تانک دارای مزایای زیر هستند:

• مساحت کوچکتر: حدود 3/5 مساحت یک زیرستانسیون جعبه‌ای سبک اروپایی را اشغال می‌کند.

• تبخیر حرارت بهتر: ترانسفورماتور مستقیماً مواجه است که مفید برای تبخیر حرارت است. ساختار نسبتاً ساده است و قیمت فروش نسبتاً پایین‌تر (حدود 3/5 قیمت یک زیرستانسیون جعبه‌ای سبک اروپایی) است.

• حمل و نصب آسان: حجم کوچکتر باعث می‌شود حمل و نصب آن آسان‌تر باشد.

در زمینه چین، زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی که مستقیماً از خارج وارد شده‌اند، دارای نقص‌های زیر هستند:

• خرابی روغن ترانسفورماتور: وقتی کلید بارچه فشار بالا عمل می‌کند، قوس تولید شده ممکن است باعث تجزیه روغن ترانسفورماتور شود و عمر کلی زیرستانسیون جعبه‌ای سبک آمریکایی را تحت تأثیر قرار دهد.

• عملکرد فاز-افتاده: وقتی فیوز فشار بالا می‌سوزد، ممکن است ترانسفورماتور به صورت فاز-افتاده عمل کند.

• کارایی محدود مدار فشار بالا: مدار فشار بالا توابع نسبتاً ساده‌ای دارد که کاملاً با نیازهای فعلی مقررات عملیات الکتریکی همخوانی ندارد. به عنوان مثال، کلید بارچه فشار بالا نقطه قطع واضحی ندارد.

برای رفع این مشکلات، تولیدکنندگان داخلی چندین بهبود ایجاد کرده‌اند. همانطور که بالا ذکر شد، دستگاه‌های قطع برق فشار پایین (معمولاً دستگاه‌های قطع هوایی هوشمند) به فضای فشار پایین زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی اضافه شده‌اند تا محافظت‌های چندگانه عیب مانند بار بیش از حد، ولتاژ کم، کوتاه شدن مدار و زمین‌گیری را فراهم کنند. این امر باعث می‌شود که پدیده سوختن فیوزهای فشار بال