Análise dos estándares e do rendemento estrutural do equipo de distribución combinado
Normas e clasificación dos dispositivos combinados de distribución de enerxía
Existe unha variedade relativamente grande de dispositivos combinados de distribución de enerxía. Os máis comúns inclúen subestacións empacotadas, transformadores tipo caja, subestacións pre-ensambladas, transformadores combinados, subestacións tipo caja europeas e subestacións tipo caja americanas.
Normas relevantes para os dispositivos combinados de distribución de enerxía
As normas relevantes actualmente en vigor para os dispositivos combinados de distribución de enerxía en China inclúen principalmente: a norma nacional GB/T 17467 - 1998 Subestacións pre-ensambladas de alta/ baixa tensión, a norma da industria mecánica JB/T 10217 - 2000 Transformadores combinados e a norma de pedido da industria eléctrica DL/T 537 - 2002 Directrices de selección para subestacións pre-ensambladas de alta/baixa tensión tipo caja.
En 1995, a Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) publicou a norma IEC1330 - 1995 Subestacións pre-ensambladas de alta/baixa tensión. A norma nacional GB/T 17467 - 1998 Subestacións pre-ensambladas de alta/baixa tensión é equivalente á norma IEC1330. Nesta norma, unha subestación pre-ensamblada defínese como "equipamento que pasou as probas de tipo e que se usa para transmitir enerxía eléctrica dun sistema de alta tensión a un sistema de baixa tensión. Inclúe transformadores, equipos de conmutación de baixa e alta tensión, liñas de conexión e equipo auxiliar encerrados nun estuche".
A norma da industria mecánica JB/T 10217 - 2000 Transformadores combinados establece que a definición estándar dun transformador combinado é: "un transformador que combina o corpo do transformador, equipos de conmutación, fusibles, cambiadores de derivación e o equipo auxiliar correspondiente".
A norma de pedido da industria eléctrica DL/T 537 - 2002 Directrices de selección para subestacións pre-ensambladas de alta/baixa tensión tipo caja revisou a norma orixinal DL/T 537 - 1993 Condiciones técnicas de pedido para subestacións tipo caja de 6 - 35kV, facendo que a norma da industria eléctrica para subestacións tipo caja sexa consistente coa IEC 1330 - 1995. As diferenzas entre DL/T 537 - 2002 e IEC 1330 - 1995 (é dicir, GB/T 17467 - 1998) amóstranse na Táboa 1.
As tres normas nacionais mencionadas son todas recomendadas. Debido ás diferentes características de varias industrias, cada norma ten as súas propias características únicas. A norma de pedido da industria eléctrica considerase desde a perspectiva do usuario, baseándose en normas internacionais (nacionais) e engadindo o contido introducido na Táboa 1, proporcionando unha base máis detallada para a selección de equipamentos.
Clasificación dos dispositivos combinados de distribución de enerxía
A pesar das normas mencionadas, a denominación dos dispositivos combinados de distribución de enerxía nas aplicacións prácticas non é moi uniforme, e a clasificación tamén varía. Hai principalmente dúas categorías: unha é definir as subestacións pre-ensambladas só como subestacións tipo caja europeas; a outra é chamar colectivamente a todos os dispositivos combinados de distribución de enerxía como subestacións pre-ensambladas, e despois dividir as subestacións pre-ensambladas en "subestacións tipo caja europeas" e "subestacións tipo caja americanas". Algúns proveedores, para atender as necesidades de diferentes usuarios, incluso teñen un produto con dous nomes.
Análise estrutural e de rendemento
Subestación prefabricada estilo europeo
Nas década de 1970, China importou equipos de distribución de enerxía integrados de 6-10kV de países europeos como Francia e Alemaña. Este innovador equipamento integraba os tres componentes principais dunha subestación (equipo de conmutación de alta tensión, transformador e armario de distribución de baixa tensión) nun único estuche, establecendo o concepto de subestación prefabricada.
En decembro de 1993, o antigo Ministerio de Electricidade publicou a norma da industria DL/T 537-1993 "Especificacións técnicas para subestacións prefabricadas de 6-35kV". O artigo 3.1 desta norma define explícitamente: "Un conxunto completo de distribución compacto que consta de equipos de distribución de alta tensión, transformadores de potencia, equipos de distribución de baixa tensión e dispositivos de medida de enerxía eléctrica encerrados nun ou múltiples armarios debe chamarse subestación prefabricada, abreviadamente subestación tipo caja." Originado en diseños europeos, esta configuración converteuse comúnmente coñecida como subestación prefabricada estilo europeo.
Despois da publicación da Norma Nacional GB/T 17467-1998 "Subestacións prefabricadas de alta/baixa tensión" en 1998, a terminoloxía oficial transicionou a "subestación prefabricada". No entanto, tanto os usuarios como os fabricantes continúan referíndose a estas instalacións como subestacións tipo caja ou subestacións estilo europeo na práctica común.
Características estructurais:
A subestación estilo europeo típicamente comprende tres compartimentos funcionais:
Compartimento de alta tensión
Compartimento de baixa tensión
Compartimento do transformador
Empreganse dúas configuracións primarias:
Disposición linear: Configuración estándar
Disposición triangular: Adoptada para requisitos complexos de circuitos de baixa tensión
Ventaxas de rendemento sobre subestacións convencionais:
Optimización da proximidade da carga:
Redúce o raio de suministro de enerxía en 40-60%
Redúce os custos de investimento en cables en 25-35%
Redúce as perdas de liña en 15-20%
Eficiencia espacial:
Ocupa aproximadamente o 10% da pegada dunha subestación tradicional
Redúce os custos de xénese civil en 60-70%
Instalación simplificada:
Tempo de construción no campo reducido en 50-60%
Limitacións técnicas e solucións:
O deseño de encapsulación presenta desafíos críticos de xestión térmica:
Dissipación de calor restrinxida eleva a temperatura interna (aumento típico de ΔT: 8-12°C)
Posibles impactos térmicos na estabilidade dos compoñentes (degradación estimada do rendemento: 3-5% por cada aumento de 10°C)
Estratexias industriais de mitigación inclúen:
Sistemas avanzados de ventilación:
Paredes de estuche con estructura laberinto
Ventiladores de escape axial (capacidade típica de 200-400 CFM)
Medidas de mellora térmica:
Optimización do radiador (superficie aumentada en 20-30%)
Materiais de aislamento resistentes ao calor (clase H ou superior)
Estas solucións, aínda que eficaces, introducen:
Complexidade estrutural (extensión do ciclo de fabricación: 15-20%)
Consumo adicional de enerxía (sistemas auxiliares: 5-8% da carga total)
Emisións acústicas (aumento típico do nivel de ruido: 3-5 dBA)
Avances tecnolóxicos recentes:
Os fabricantes líderes lograron desenvolvimentos revolucionarios na xestión térmica:
Configuracións novas de dissipación de calor para transformadores (eficiencia mellorada: 12-15%)
Aerodinámica optimizada do estuche (redución de temperatura: 6-8°C)
Deseños de alta capacidade certificados (≥800kVA) sen ventilación forzada
Cumprimento dos límites térmicos de transformadores secos GB 1094.11 (aumento máximo de temperatura das bobinas: 100K)
Estas innovacións mantense en cumprimento coas normas nacionais mentres logran:
Aforro de enerxía (redución do consumo de ventilação: 100%)
Reducción do nivel de ruido (4-7 dBA)
Rendemento operativo mellorado (mejora do MTBF: 20-25%)
Subestacións tipo caja estilo americano (transformadores combinados)
Nos anos 90, os transformadores de distribución trifásicos compartimentados estilo americano entraron no mercado chinés. Segundo a norma nacional americana (ANSI) C57.12.26 - 1992 Norma para transformadores de distribución trifásicos compartimentados autorefrescados con conectores de alta tensión, os cables de alta tensión están conectados ao transformador a través de conectores de cable no compartimento de alta tensión, e os cables de baixa tensión están conectados aos terminais de baixa tensión con parafusos no compartimento de baixa tensión. O tanque de óleo do transformador compartimentado montado en pedestal está equipado con fusibles de alta tensión e interruptores de carga de catro posicións. O transformador pode operar como terminal ou en rede en anel, protexendo e controlando o estado de suministro de enerxía no lado de alta tensión do transformador.
Os fabricantes de transformadores en China engadirón interruptores de circuito de baixa tensión e contadores de electricidade aos compartimentos de baixa tensión dos produtos estilo americano, convértendoos en dispositivos combinados de distribución de enerxía. Estes dispositivos usáronse amplamente en comunidades residenciais. Para distingui-los das subestacións tipo caja estilo europeo, chamáronse subestacións tipo caja estilo americano, tamén coñecidos como transformadores combinados. A norma da industria mecánica JB/T 10217 - 2000 Transformadores combinados explica a definición estándar de transformadores combinados (como se mencionou anteriormente). No 3.7, define os "compartimentos de alta e baixa tensión" como "espazos onde as terminacións de cables de alta e baixa tensión e as partes de operación e control de compoñentes eléctricos están encerrados por placas de acero, confiando nas paredes do tanque de óleo". Esta é unha das diferenzas estruturais respecto ás subestacións tipo caja estilo europeo.
Esta norma clasifica os transformadores combinados (subestacións tipo caja estilo americano) en dous tipos segundo a estrutura do tanque de óleo: tipo tanque común e tipo tanques separados. No tipo tanque común, os compoñentes eléctricos de alta tensión comparten un tanque de óleo de transformador co corpo do transformador, denotado pola letra ZG. No tipo tanques separados, os compoñentes eléctricos de alta tensión, como os interruptores de carga, están colocados nun tanque de óleo separado, mentres que outros compoñentes eléctricos de alta tensión e o corpo do transformador están instalados noutro tanque de óleo. Os circuitos de óleo dos dous tanques non están conectados, denotado pola letra ZF.
Transformadores combinados de tanque común
Ademais das vantaxes das subestacións tipo caja estilo europeo, os transformadores combinados de tanque común teñen as seguintes vantaxes:
Menor pegada: Ocupa aproximadamente 3/5 da área dunha subestación tipo caja estilo europeo.
Melhor dissipación de calor: O transformador está directamente exposto, o que é beneficioso para a dissipación de calor. A estrutura é relativamente simple, e o prezo de venda é relativamente baixo (aproximadamente 3/5 do dunha subestación tipo caja estilo europeo).
Transporte e instalación conveniente: Menor en volume, facendo que o transporte e a instalación sexan máis convenientes.
No contexto chinés, as subestacións tipo caja estilo americano importadas directamente do estranxeiro teñen as seguintes deficiencias:
Degradación do óleo do transformador: Cando o interruptor de carga de alta tensión opera, o arco xerado é probable que cause a descomposición do óleo do transformador, afectando a vida útil global da subestación tipo caja estilo americano.
Operación con falta de fase: Cando un fusible de alta tensión salta, pode causar que o transformador opere en condicións de falta de fase.
Funcionalidade limitada do circuito de alta tensión: O circuito de alta tensión ten funcións relativamente simples, que non satisfacen completamente os requisitos das regulacións actuais de operación eléctrica. Por exemplo, o interruptor de carga de alta tensión non ten un punto de desconexión evidente.
Para resolver estes problemas, os fabricantes nacionais fixéron varias melloras. Como se mencionou anteriormente, interrumpe-se o circuito de baixa tensión (normalmente interruptores de circuito de aire inteligentes) nos compartimentos de baixa tensión das subestacións tipo caja estilo americano para lograr múltiples protexións de fallos, como sobrecarga, baixa tensión, cortocircuito e aterramento. Esto elimina o fenómeno de que os fusibles de alta tensión salten debido a cortocircuitos ou sobrecargas nas liñas de alimentación de baixa tensión, evitando a operación do transformador en condicións de falta de fase. En segundo lugar, rediseñouse a parte de alta tensión. Por exemplo, en termos de protección de alta tensión, as subestacións tipo caja estilo americano usan interruptores de carga para cortar o suministro de enerxía da carga e confían en fusibles de protección de reserva e fusibles de inserción para a protección completa da enerxía.
Transformadores combinados de tanques separados
Ata a data, a maioría das subestacións tipo caja estilo americano producidas por fabricantes de transformadores pertencen ao tipo de transformadores combinados de tanque común ZG. Para eliminar as deficiencias dos transformadores combinados de tanque común mencionadas anteriormente, os fabricantes nacionais de transformadores separaron os compoñentes de alta tensión, como interruptores de carga e fusibles de protección de reserva, do tanque de óleo do transformador. Óleo de alto punto de inflamación foi inxectado nos pequenos compartimentos de compoñentes de alta tensión, como interruptores de carga, e óleo común número 25 foi inxectado no tanque de óleo do transformador. Isto non só resolve o problema de envellecemento do óleo do transformador causado polo funcionamento do interruptor de carga, senón que tamén aborda o problema de dissipación de calor causado polo uso de óleo de alto punto de inflamación no tanque de óleo do transformador (debido á súa alta viscosidade).
Adopción de transformadores de aleación amorfa
O transformador é o compoñente de maior tamaño e que máis calor xera nunha subestación tipo caja. As súas características estruturais e o nivel de perdas están directamente relacionados co deseño global da subestación tipo caja.
En 1996, China desenvolveu e produciu con éxito transformadores de distribución de aleación amorfa abaixo de 500 kVA, pero a produción era pequena e non se logrou a produción en gran escala. En 1998, a compañía Xindian Electric de Xangai introduciu a tecnoloxía de deseño e fabricación de transformadores de aleación amorfa da General Electric (GE) dos Estados Unidos para a produción en gran escala. Actualmente, hai máis de 20 fabricantes de transformadores de aleación amorfa. A perda en vacío do núcleo de aleación amorfa é o 20% da serie S9, mostrando un efecto de aforro de enerxía moi significativo.
As normas de transformadores de distribución ANSI tamén xogan un papel no contexto máis amplo da tecnoloxía e mercado de transformadores. No entanto, o factor principal que restrinxe a adopción de transformadores de aleación amorfa en subestacións tipo caja nacionais é o prezo, o que require que o país implemente políticas de incentivo correspondentes. De feito, hai moitas políticas de incentivo para o uso de transformadores de aleación amorfa tanto en casa como no estranxeiro. Segundo os fabricantes taiwaneses, a rexión de Taiwan formulou estándares estritos para produtos de transformadores de aleación amorfa. Donde quiera que os usuarios compren transformadores de aleación amorfa, poden recibir subvencións baseadas na capacidade do transformador, con un premio de decenas de miles de dólares novos taiwaneses por kW.
Comparación entre subestacións tipo caja estilo europeo e estilo americano
Como se mencionou anteriormente, as subestacións tipo caja estilo americano e estilo europeo comparten vantaxes en términos de volume, superficie e coordinación ambiental. As subestacións tipo caja estilo americano, que adoitan deseñarse coa referencia a normas relacionadas coa distribución de transformadores ANSI, incluso teñen certas vantaxes sobre as de estilo europeo en aspectos como superficie, prezo e dissipación de calor. Por exemplo, no caso da subestación tipo caja DXB(W) - 1.10, os bushings de alta e baixa tensión, cambiadores de derivación, reservatorios de óleo e válvulas de drenaxe do transformador están instalados nunha parede lateral, cada un encerrado en compartimentos de equipos de alta e baixa tensión separados. Así, o transformador forma parte da carcasa da subestación tipo caja, mentres que as outras tres paredes laterais están equipadas con disipadores de calor ondulados expostos ao aire. Isto mellora as condicións de dissipación de calor e reduce certas perdas.
No entanto, xa que as partes de dissipación de calor das subestacións tipo caja estilo americano están expostas ao aire durante moito tempo, surgen novos problemas como a corrosión do material debido ao ambiente natural, afectando a vida útil global do equipo. Ademais, no verán, a temperatura dos disipadores de calor das subestacións tipo caja estilo americano pode alcanzar máis de 80-90°C, representando un risco de queimaduras para as persoas que accidentalmente se aproximen a eles.
As subestacións tipo caja estilo europeo que usan transformadores de aleación amorfa son produtos recém desenvolvidos por fabricantes nacionais. Representan un avance tecnolóxico após os transformadores combinados de aleación amorfa (incluíndo os tipos de tanque común e tanques separados). Con melloras no deseño de dissipación de calor, logran o refrixe natural mentres cumpren cos requisitos nacionais de aumento de temperatura, eliminando o consumo de enerxía e o ruido dos ventiladores. Así, as subestacións tipo caja estilo europeo de aleación amorfa posúen excelentes características técnicas.
Conclusión
Coa promoción ulterior das normas, a denominación dos dispositivos combinados de distribución de enerxía debería ser máis unificada. O desenvolvemento da tecnoloxía e a mellora dos procesos de fabricación e estruturas fai que as subestacións tipo caja estilo americano e estilo europeo sexan máis vantaxosas en comparación coas subestacións tradicionais. Son máis adaptadas ás demandas do mercado de miniaturización, coordinación ambiental, multi-funcionalidade e suministro de enerxía confiable de equipos de distribución de enerxía. Se o uso de materiais ecolóxicos e de aforro de enerxía como as aleacións amorfas puidese recibir certos incentivos de política, o rendemento técnico e económico das subestacións tipo caja nacionais melloraría aínda máis.
