تحلیل استانداردها و عملکرد ساختاری تجهیزات توزیع ترکیبی

استانداردها و طبقه‌بندی دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی

نوع‌های مختلف زیادی از دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی وجود دارد. موارد معمول عبارتند از: زیرстанسیون‌های بسته‌بندی شده، ترانسفورماتورهای جعبه‌ای، زیرستانسیون‌های پیش-ساخته، ترانسفورماتورهای ترکیبی، زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی و زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی.

استانداردهای مرتبط با دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی

استانداردهای معتبر فعلی مربوط به دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی در چین عمدتاً شامل: استاندارد ملی GB/T 17467 - 1998 زیرستانسیون‌های پیش-ساخته 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 هستند.

در سال 1995، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) استاندارد IEC1330 - 1995 زیرستانسیون‌های پیش-ساخته فشار بالا/فشار پایین را منتشر کرد. استاندارد ملی GB/T 17467 - 1998 زیرستانسیون‌های پیش-ساخته فشار بالا/فشار پایین معادل استاندارد IEC1330 است. در این استاندارد، زیرستانسیون پیش-ساخته به عنوان "تجهیزاتی تعریف شده که آزمون‌های نوعی را پشت سر گذاشته‌اند و برای انتقال انرژی الکتریکی از سیستم فشار بالا به سیستم فشار پایین استفاده می‌شود. این تجهیزات شامل ترانسفورماتورها، تجهیزات تغییر مسیر فشار بالا و پایین، خطوط اتصال و تجهیزات کمکی در یک پوشش قرار دارند" تعریف شده است.

استاندارد صنعت مکانیک JB/T 10217 - 2000 ترانسفورماتورهای ترکیبی می‌گوید که تعریف استاندارد یک ترانسفورماتور ترکیبی عبارت است از: "ترانسفورماتوری که بدنه ترانسفورماتور، تجهیزات تغییر مسیر، فیوزها، تنظیم‌کننده‌های سطح ولتاژ و تجهیزات کمکی متناظر را ترکیب می‌کند".

استاندارد سفارشی صنعت برق DL/T 537 - 2002 راهنمای انتخاب زیرستانسیون‌های جعبه‌ای فشار بالا/فشار پایین استاندارد DL/T 537 - 1993 شرایط فنی سفارشی 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 پیشنهادی هستند. به دلیل ویژگی‌های مختلف صنایع مختلف، هر استاندارد ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارد. استاندارد سفارشی صنعت برق از دیدگاه کاربران، براساس استانداردهای بین‌المللی (ملی) و با افزودن محتوای معرفی شده در جدول 1، پایه‌ای دقیق‌تر برای انتخاب تجهیزات فراهم می‌کند.

طبقه‌بندی دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی

با وجود استانداردهای ذکر شده، نام‌گذاری دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی در کاربردهای عملی بسیار یکسان نیست و طبقه‌بندی‌ها نیز متفاوت است. عموماً دو دسته وجود دارد: یکی تعریف زیرستانسیون‌های پیش-ساخته فقط به عنوان زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی؛ دیگری تمام دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی را زیرستانسیون‌های پیش-ساخته می‌نامند و سپس زیرستانسیون‌های پیش-ساخته را به "زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی" و "زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی" تقسیم می‌کنند. برخی تأمین‌کنندگان برای تأمین نیازهای مختلف کاربران، حتی یک محصول با دو نام دارند.

تجزیه و تحلیل ساختار و عملکرد

زیرستانسیون پیش-ساخته 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 تغییر مسیر فشار بالا، ترانسفورماتور و کابینت توزیع فشار پایین) را در یک پوشش یکپارچه جمع کردند و مفهوم زیرستانسیون پیش-ساخته را مطرح کردند.

در دسامبر 1993، وزارت سابق برق استاندارد صنعتی DL/T 537-1993 "مشخصات فنی زیرستانسیون‌های جعبه‌ای 6-35kV" را منتشر کرد. بند 3.1 این استاندارد به صراحت تعریف می‌کند: "مجموعه‌ای کامل از تجهیزات توزیع برق که شامل تجهیزات توزیع فشار بالا، ترانسفورماتورهای قدرت، تجهیزات توزیع فشار پایین و دستگاه‌های اندازه‌گیری انرژی الکتریکی در یک یا چند کابینت قرار دارد، به عنوان زیرستانسیون پیش-ساخته تعریف می‌شود که به اختصار زیرستانسیون جعبه‌ای نامیده می‌شود." این ساختار که از طرح‌های اروپایی نشأت گرفته، به طور معمول به عنوان زیرستانسیون پیش-ساخته سبک اروپایی شناخته می‌شود.

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

ویژگی‌های ساختاری:

زیرستانسیون سبک اروپایی معمولاً شامل سه حجره عملکردی است:

• حجره فشار بالا

• حجره فشار پایین

• حجره ترانسفورماتور

دو ساختار اصلی به کار گرفته می‌شود:

• ترتیب خطی: ساختار استاندارد

• ترتیب مثلثی: برای نیازهای پیچیده مدار فشار پایین به کار گرفته می‌شود

مزایای عملکردی نسبت به زیرستانسیون‌های معمولی:

• بهینه‌سازی نزدیکی بار:

• کاهش شعاع تامین برق 40-60%

• کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری کابل 25-35%

• کاهش ضریب تلفات خط 15-20%

• کارایی فضایی:

• احتلال حدود 10% مساحت زیرستانسیون معمولی

• کاهش هزینه‌های عمرانی 60-70%

• ساده‌سازی نصب:

• کاهش زمان ساخت محلی 50-60%

محدودیت‌های فنی و راه‌حل‌ها:

طراحی محوطه‌ای چالش‌های مدیریت حرارتی مهمی را ایجاد می‌کند:

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

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

راه‌حل‌های صنعتی شامل:

• سیستم‌های تهویه پیشرفته:

• دیواره‌های محوطه با ساختار لابیرینتی

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

• اقدامات بهبود حرارتی:

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

• مواد عایق‌سازی مقاوم به گرما (کلاس H یا بالاتر)

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

• 
  

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

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

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

پیشرفت‌های فنی اخیر:

تولیدکنندگان رهبر صنعتی پیشرفت‌های شگفت‌انگیزی در مدیریت حرارتی دست یافته‌اند:

• ساختارهای تخلیه حرارتی جدید برای ترانسفورماتورها (بهبود کارایی: 12-15%)

• بهینه‌سازی آئروダイنامیک محوطه (کاهش دما: 6-8°C)

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

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

این نوآوری‌ها در حالی که با استانداردهای ملی مطابقت دارند، موجب می‌شوند:

• بهره‌وری انرژی (کاهش مصرف برق فن: 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 جداگانه‌ای با خنک‌سازی خودکار وارد بازار چین شدند. بر اساس استاندارد ملی آمریکا (ANSI) C57.12.26 - 1992 استاندارد ترانسفورماتورهای توزیع سه‌فازی جداگانه با خنک‌سازی خودکار و دارای کنکتورهای فشار بالا، کابل‌های فشار بالا از طریق کنکتورهای کابلی در حجره فشار بالا به ترانسفورماتور متصل می‌شوند و کابل‌های فشار پایین از طریق پیچ‌های بولتی در حجره فشار پایین به ترمینال‌های فشار پایین متصل می‌شوند. ظرف روغن ترانسفورماتور جداگانه دارای فیوزهای فشار بالا و سوئیچ‌های بار چهار وضعیتی است. ترانسفورماتور می‌تواند به عنوان یک انتهایی یا در شبکه حلقه‌ای عمل کند و وضعیت تامین برق در سمت فشار بالا ترانسفورماتور را محافظت و کنترل کند.

تولیدکنندگان ترانسفورماتور در چین دستگاه‌های قطع کننده مدار فشار پایین و دستگاه‌های اندازه‌گیری برق را به حجره‌های فشار پایین محصولات آمریکایی اضافه کرده‌اند و آن‌ها را به دستگاه‌های توزیع برق ترکیبی تبدیل کرده‌اند. این دستگاه‌ها به طور گسترده در جوامع مسکونی استفاده می‌شوند. برای تمایز آن‌ها از زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی، آن‌ها را زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی یا ترانسفورماتورهای ترکیبی می‌نامند. استاندارد صنعت مکانیک JB/T 10217 - 2000 ترانسفورماتورهای ترکیبی تعریف استاندارد ترانسفورماتورهای ترکیبی (همانطور که در بالا ذکر شد) را بسط می‌دهد. در 3.7، "حجره‌های فشار بالا و پایین" را به عنوان "فضاهایی که پایانه‌های کابل فشار بالا و پایین و بخش‌های عملیاتی و کنترلی تجهیزات الکتریکی در آن‌ها توسط صفحات فولادی محصور شده و به دیواره‌های ظرف روغن متکی هستند" 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 ظرف روغن به دو نوع تقسیم‌بندی می‌کند: نوع مشترک-ظرف و نوع جداگانه-ظرف. در نوع مشترک-ظرف، اجزای الکتریکی فشار بالا یک ظرف روغن مشترک با بدنه ترانسفورماتور دارند و با حرف ZG نشان داده می‌شوند. در نوع جداگانه-ظرف، اجزای الکتریکی فشار بالا مانند سوئیچ‌های بار در یک ظرف روغن جداگانه قرار می‌گیرند، در حالی که سایر اجزای الکتریکی فشار بالا و بدنه ترانسفورماتور در یک ظرف روغن دیگر نصب می‌شوند. مسیرهای روغن دو ظرف روغن متصل نیستند و با حرف ZF نشان داده می‌شوند.

ترانسفورماتورهای ترکیبی مشترک-ظرف

به علاوه مزایای زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک اروپایی، ترانسفورماتورهای ترکیبی مشترک-ظرف مزایای زیر را دارند:

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

• خنک‌سازی بهتر: ترانسفورماتور مستقیماً معرض دید است که مفید برای خنک‌سازی است. ساختار نسبتاً ساده است و قیمت فروش نسبتاً کمتر (حدود 3/5 قیمت یک زیرستانسیون جعبه‌ای سبک اروپایی) است.

• نقل و نصب آسان: حجم کوچکتر آن‌ها نقل و نصب را آسان‌تر می‌کند.

در زمینه چین، زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی که مستقیماً از خارج وارد شده‌اند، موارد نقص زیر را دارند:

• تخریب روغن ترانسفورماتور: وقتی سوئیچ بار فشار بالا عمل می‌کند، قوس الکتریکی تولید شده می‌تواند باعث تجزیه روغن ترانسفورماتور شود و در نتیجه عمر کلی زیرستانسیون جعبه‌ای سبک آمریکایی را تحت تأثیر قرار دهد.

• عملکرد با فقدان فاز: وقتی فیوز فشار بالا منفجر می‌شود، ممکن است باعث عملکرد ترانسفورماتور در حالت فقدان فاز شود.

• محدودیت‌های عملکرد مدار فشار بالا: مدار فشار بالا توابع نسبتاً ساده‌ای دارد که نیازهای کامل مقررات عملیاتی الکتریکی فعلی را برآورده نمی‌کند. به عنوان مثال، سوئیچ بار فشار بالا نقطه قطع واضحی ندارد.

برای حل این مشکلات، تولیدکنندگان داخلی چندین بهبود انجام داده‌اند. همانطور که در بالا ذکر شد، دستگاه‌های قطع کننده مدار فشار پایین (معمولاً دستگاه‌های قطع کننده هوایی هوشمند) به حجره‌های فشار پایین زیرستانسیون‌های جعبه‌ای سبک آمریکایی اضافه شده‌اند تا حفاظت‌های چندگانه مانند بار بیش از حد، فشار کم، کوتاه‌مداری و زمین‌رسانی را انجام دهند. این امر منجر به عدم منفجر ش