Analisi degli standard e delle prestazioni strutturali degli impianti di distribuzione combinati
Standardi e Classificazione dei Dispositivi Combinati di Distribuzione dell'Energia Elettrica
Esiste una varietà piuttosto ampia di dispositivi combinati di distribuzione dell'energia elettrica. Quelli comunemente utilizzati includono sottostazioni preimballate, trasformatori a scatola, sottostazioni prefabbricate, trasformatori combinati, sottostazioni a scatola stile europeo e sottostazioni a scatola stile americano.
Standard Rilevanti per i Dispositivi Combinati di Distribuzione dell'Energia Elettrica
Gli standard rilevanti attualmente in vigore in Cina per i dispositivi combinati di distribuzione dell'energia elettrica includono principalmente: lo standard nazionale GB/T 17467 - 1998 Sottostazioni Prefabbricate Alta/Bassa Tensione, lo standard dell'industria meccanica JB/T 10217 - 2000 Trasformatori Combinati e lo standard di ordinazione dell'industria elettrica DL/T 537 - 2002 Linee Guida per la Selezione di Sottostazioni Prefabbricate a Scatola Alta/Bassa Tensione.
Nel 1995, la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) ha pubblicato lo standard IEC1330 - 1995 Sottostazioni Prefabbricate Alta/Bassa Tensione. Lo standard nazionale cinese GB/T 17467 - 1998 Sottostazioni Prefabbricate Alta/Bassa Tensione è equivalente allo standard IEC1330. In questo standard, una sottostazione prefabbricata è definita come "attrezzatura che ha superato i test di tipo ed è utilizzata per trasmettere l'energia elettrica da un sistema ad alta tensione a un sistema a bassa tensione. Include trasformatori, apparati di commutazione ad alta e bassa tensione, linee di connessione e apparecchiature ausiliarie racchiusi in un involucro".
Lo standard dell'industria meccanica JB/T 10217 - 2000 Trasformatori Combinati afferma che la definizione standard di un trasformatore combinato è: "un trasformatore che combina il corpo del trasformatore, gli apparati di commutazione, i fusibili, i regolatori di tensione e le relative apparecchiature ausiliarie".
Lo standard di ordinazione dell'industria elettrica DL/T 537 - 2002 Linee Guida per la Selezione di Sottostazioni Prefabbricate a Scatola Alta/Bassa Tensione ha rivisto lo standard originale DL/T 537 - 1993 Condizioni Tecniche per l'Ordinazione di Sottostazioni a Scatola 6-35kV, rendendo lo standard dell'industria elettrica per le sottostazioni a scatola conforme all'IEC 1330 - 1995. Le differenze tra DL/T 537 - 2002 e IEC 1330 - 1995 (cioè GB/T 17467 - 1998) sono riportate nella Tabella 1.
I tre standard nazionali menzionati sopra sono tutti standard raccomandati. A causa delle diverse caratteristiche delle varie industrie, ogni standard ha le proprie peculiarità. Lo standard di ordinazione dell'industria elettrica è considerato dal punto di vista dell'utente, basato su standard internazionali (nazionali), e aggiunge il contenuto introdotto nella Tabella 1, fornendo una base più dettagliata per la selezione dell'attrezzatura.
Classificazione dei Dispositivi Combinati di Distribuzione dell'Energia Elettrica
Nonostante gli standard menzionati sopra, la denominazione dei dispositivi combinati di distribuzione dell'energia elettrica nelle applicazioni pratiche non è molto uniforme, e la classificazione varia. Ci sono principalmente due categorie: una definisce le sottostazioni prefabbricate solo come sottostazioni a scatola stile europeo; l'altra chiama collettivamente tutti i dispositivi combinati di distribuzione dell'energia elettrica sottostazioni prefabbricate, e poi divide le sottostazioni prefabbricate in "sottostazioni a scatola stile europeo" e "sottostazioni a scatola stile americano". Alcuni fornitori, per soddisfare le esigenze di diversi utenti, hanno addirittura un prodotto con due nomi.
Analisi Strutturale e Prestazionale
Sottostazione Prefabbricata Stile Europeo
Negli anni '70, la Cina ha importato attrezzature di distribuzione integrata 6-10kV da paesi europei come Francia e Germania. Questa innovativa attrezzatura ha integrato i tre componenti principali di una sottostazione (apparati di commutazione ad alta tensione, trasformatore e armadi di distribuzione a bassa tensione) in un singolo involucro, stabilendo il concetto di sottostazione prefabbricata.
Nel dicembre 1993, l'ex Ministero dell'Energia Elettrica ha pubblicato lo standard settoriale DL/T 537-1993 "Specifiche Tecniche per Sottostazioni Prefabbricate 6-35kV". L'articolo 3.1 di questo standard definisce esplicitamente: "Un insieme compatto di distribuzione completa composto da attrezzature di distribuzione ad alta tensione, trasformatori di potenza, attrezzature di distribuzione a bassa tensione e dispositivi di misurazione dell'energia elettrica racchiusi in uno o più armadi, sarà chiamato sottostazione prefabbricata, abbreviato in sottostazione a scatola". Originario da progetti europei, questa configurazione è diventata comunemente nota come sottostazione prefabbricata stile europeo.
Dopo la pubblicazione dello standard nazionale GB/T 17467-1998 "Sottostazioni Prefabbricate Alta/Bassa Tensione" nel 1998, la terminologia ufficiale è passata a "sottostazione prefabbricata". Tuttavia, sia gli utenti che i produttori continuano a riferirsi a queste installazioni come sottostazioni a scatola o sottostazioni stile europeo nella pratica comune.
Caratteristiche Strutturali:
La sottostazione stile europeo tipicamente comprende tre compartimenti funzionali:
Compartimento ad alta tensione
Compartimento a bassa tensione
Compartimento del trasformatore
Vengono impiegati due layout principali:
Layout lineare: configurazione standard
Layout triangolare: adottato per requisiti complessi di circuiti a bassa tensione
Vantaggi prestazionali rispetto alle sottostazioni convenzionali:
Ottimizzazione della vicinanza al carico:
Riduce il raggio di fornitura di energia del 40-60%
Diminuisce i costi di investimento sui cavi del 25-35%
Riduce le perdite di linea del 15-20%
Efficienza spaziale:
Occupa circa il 10% della superficie di una sottostazione tradizionale
Riduce i costi di ingegneria civile del 60-70%
Installazione semplificata:
Tempo di costruzione sul sito ridotto del 50-60%
Limitazioni tecniche e soluzioni:
Il design a involucro presenta sfide critiche di gestione termica:
Dissipazione del calore limitata aumenta la temperatura interna (aumento tipico ΔT: 8-12°C)
Possibili impatti termici sulla stabilità dei componenti (stima di degradazione delle prestazioni: 3-5% per ogni aumento di 10°C)
Strategie industriali di mitigazione includono:
Sistemi di ventilazione avanzati:
Pareti dell'involucro a struttura labirinto
Ventilatori assiali di scarico (capacità tipica 200-400 CFM)
Misure di miglioramento termico:
Ottimizzazione del radiatore (superficie aumentata del 20-30%)
Materiali isolanti resistenti al calore (Classe H o superiore)
Queste soluzioni, pur essendo efficaci, introducono:
Complessità strutturale (estensione del ciclo di produzione: 15-20%)
Consumo energetico aggiuntivo (sistemi ausiliari: 5-8% del carico totale)
Emissioni acustiche (aumento tipico del livello di rumore: 3-5 dBA)
Recenti Avanzamenti Tecnologici:
I principali produttori hanno ottenuto sviluppi dirottamento nella gestione termica:
Nuove configurazioni di dissipazione del calore per i trasformatori (efficienza migliorata: 12-15%)
Aerodinamica ottimizzata dell'involucro (riduzione della temperatura: 6-8°C)
Progetti ad alta capacità certificati (≥800kVA) senza ventilazione forzata
Conformità ai limiti termici dei trasformatori a secco GB 1094.11 (aumento massimo della temperatura degli avvolgimenti: 100K)
Queste innovazioni mantengono la conformità agli standard nazionali, raggiungendo:
Risparmio energetico (riduzione del consumo di energia dei ventilatori: 100%)
Riduzione del livello di rumore (4-7 dBA)
Affidabilità operativa migliorata (miglioramento del MTBF: 20-25%)
Sottostazioni a Scatola Stile Americano (Trasformatori Combinati)
Negli anni '90, i trasformatori distributivi trifase a compartimenti stile americano sono entrati nel mercato cinese. Secondo lo standard americano ANSI C57.12.26 - 1992 Standard per Trasformatori Distributivi Trifase a Compartmenti Auto-raffreddati con Connessioni a Spina ad Alta Tensione, i cavi ad alta tensione sono collegati al trasformatore attraverso connettori a spina nel compartimento ad alta tensione, e i cavi a bassa tensione sono collegati ai terminali a bassa tensione con bulloni nel compartimento a bassa tensione. Il serbatoio d'olio del trasformatore a compartimenti a pad montato è dotato di fusibili ad alta tensione e interruttori di carico a quattro posizioni. Il trasformatore può operare come terminale o in una rete a anello, proteggendo e controllando lo stato di fornitura di energia sul lato ad alta tensione del trasformatore.
I produttori di trasformatori in Cina hanno aggiunto interruttori automatici a bassa tensione e contatori di energia ai compartimenti a bassa tensione dei prodotti stile americano, trasformandoli in dispositivi combinati di distribuzione dell'energia. Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati nelle comunità residenziali. Per distinguerli dalle sottostazioni a scatola stile europeo, vengono chiamati sottostazioni a scatola stile americano, anche note come trasformatori combinati. Lo standard dell'industria meccanica JB/T 10217 - 2000 Trasformatori Combinati espone la definizione standard di trasformatori combinati (come menzionato sopra). Nell'articolo 3.7, definisce i "compartimenti ad alta e bassa tensione" come "spazi in cui i terminali dei cavi ad alta e bassa tensione e le parti di operazione e controllo dei componenti elettrici sono racchiusi da lastre d'acciaio, facendo affidamento sulle pareti del serbatoio d'olio". Questo è uno dei differenziali strutturali rispetto alle sottostazioni a scatola stile europeo.
Questo standard classifica i trasformatori combinati (sottostazioni a scatola stile americano) in due tipi in base alla struttura del serbatoio d'olio: tipo a serbatoio comune e tipo a serbatoi separati. Nel tipo a serbatoio comune, i componenti elettrici ad alta tensione condividono un serbatoio d'olio con il corpo del trasformatore, indicato dalla lettera ZG. Nel tipo a serbatoi separati, i componenti elettrici ad alta tensione come gli interruttori di carico sono posizionati in un serbatoio d'olio separato, mentre altri componenti elettrici ad alta tensione e il corpo del trasformatore sono installati in un altro serbatoio d'olio. I circuiti d'olio dei due serbatoi non sono collegati, indicato dalla lettera ZF.
Trasformatori Combinati a Serbatoio Comune
Oltre ai vantaggi delle sottostazioni a scatola stile europeo, i trasformatori combinati a serbatoio comune presentano i seguenti vantaggi:
Occupazione di Superficie Minore: occupa circa 3/5 della superficie di una sottostazione a scatola stile europeo.
Migliore Dissipazione del Calore: il trasformatore è direttamente esposto, il che è vantaggioso per la dissipazione del calore. La struttura è relativamente semplice e il prezzo di vendita è relativamente basso (circa 3/5 di quello di una sottostazione a scatola stile europeo).
Trasporto e Installazione Facili: di volume minore, rendendo il trasporto e l'installazione più convenienti.
Nel contesto cinese, le sottostazioni a scatola stile americano importate direttamente dall'estero presentano i seguenti difetti:
Degradazione dell'Olio del Trasformatore: quando l'interruttore di carico ad alta tensione opera, l'arco generato è probabile che causi la decomposizione dell'olio del trasformatore, influendo sulla durata complessiva della sottostazione a scatola stile americano.
Operazione in Assenza di Fase: quando un fusibile ad alta tensione si fonde, può causare l'operazione del trasformatore in condizioni di mancanza di fase.
Funzionalità Limitata del Circuito ad Alta Tensione: il circuito ad alta tensione ha funzioni relativamente semplici, che non soddisfano completamente i requisiti attuali delle normative operative elettriche. Ad esempio, l'interruttore di carico ad alta tensione non ha un punto di disconnessione evidente.
Per risolvere questi problemi, i produttori nazionali hanno apportato diverse migliorie. Come menzionato sopra, gli interruttori automatici a bassa tensione (solitamente interruttori automatici intelligenti) sono stati aggiunti ai compartimenti a bassa tensione delle sottostazioni a scatola stile americano per realizzare molteplici protezioni contro guasti come sovraccarico, sottotensione, cortocircuito e messa a terra. Questo elimina il fenomeno dei fusibili ad alta tensione che si fondono a causa di cortocircuiti o sovraccarichi nelle linee di alimentazione a bassa tensione, evitando l'operazione in assenza di fase del trasformatore. In secondo luogo, la parte ad alta tensione è stata ridisegnata. Ad esempio, in termini di protezione ad alta tensione, le sottostazioni a scatola stile americano utilizzano interruttori di carico per interrompere l'alimentazione del carico e si affidano a fusibili di protezione di backup e fusibili a spina per la protezione dell'energia completa.
Trasformatori Combinati a Serbatoi Separati
Fino ad ora, la maggior parte delle sottostazioni a scatola stile americano prodotte dai produttori di trasformatori appartiene ai trasformatori combinati a serbatoio comune di tipo ZG. Per eliminare i difetti dei trasformatori combinati a serbatoio comune menzionati sopra, i produttori nazionali di trasformatori hanno separato i componenti ad alta tensione come gli interruttori di carico e i fusibili di protezione di backup dal serbatoio d'olio del trasformatore. È stato iniettato olio ad alto punto di fiammabilità nei piccoli compartimenti dei componenti ad alta tensione come gli interruttori di carico, mentre nell'olio del serbatoio del trasformatore è stato iniettato olio ordinario No. 25. Questo non solo risolve il problema dell'invecchiamento dell'olio del trasformatore causato dall'operazione dell'interruttore di carico, ma affronta anche il problema di dissipazione del calore causato dall'uso di olio ad alto punto di fiammabilità in tutto il serbatoio d'olio del trasformatore (a causa della sua viscosità elevata).
Adozione di Trasformatori con Lega Amorfa
Il trasformatore è il componente di dimensioni maggiori e che genera più calore in una sottostazione a scatola. Le sue caratteristiche strutturali e il livello di perdite sono direttamente correlati alla progettazione complessiva della sottostazione a scatola.
Nel 1996, la Cina ha sviluppato e prodotto con successo trasformatori distributivi a lega amorfa inferiori a 500 kVA, ma la produzione era limitata e non è stata raggiunta una produzione su larga scala. Nel 1998, la Shanghai Xindian Electric Company ha introdotto la tecnologia di progettazione e fabbricazione dei trasformatori a lega amorfa dalla General Electric (GE) negli Stati Uniti per una produzione su larga scala. Attualmente, ci sono oltre 20 produttori di trasformatori a lega amorfa. Le perdite a vuoto dei nuclei di lega amorfa sono il 20% di quelle della serie S9, mostrando un effetto di risparmio energetico molto significativo.
Gli standard ANSI per i trasformatori distributivi giocano un ruolo anche in un contesto più ampio di tecnologia e mercato dei trasformatori. Tuttavia, il fattore principale che limita l'adozione dei trasformatori a lega amorfa nelle sottostazioni a scatola nazionali è il prezzo, che richiede all'intero paese di implementare politiche di incentivo corrispondenti. Infatti, ci sono molte politiche di incentivazione per l'uso di trasformatori a lega amorfa sia a livello nazionale che internazionale. Secondo i produttori taiwanesi, la regione di Taiwan ha formulato standard rigorosi per i prodotti di trasformatori a lega amorfa. Ovunque gli utenti acquistino trasformatori a lega amorfa, possono ricevere sussidi in base alla capacità del trasformatore, con un premio di decine di migliaia di nuovi dollari taiwanesi per kW.
Confronto tra Sottostazioni a Scatola Stile Europeo e Stile Americano
Come menzionato sopra, sia le sottostazioni a scatola stile americano che stile europeo condividono vantaggi in termini di volume, superficie occupata e coordinamento ambientale. Le sottostazioni a scatola stile americano, spesso progettate con riferimento alle norme ANSI relative ai trasformatori distributivi, hanno persino alcuni vantaggi rispetto a quelle stile europeo in aspetti come la superficie occupata, il prezzo e la dissipazione del calore. Ad esempio, nel caso della sottostazione a scatola DXB(W) - 1.10, i bushing ad alta e bassa tensione, i regolatori di tensione, i serbatoi d'olio e i valvole di scarico dell'olio del trasformatore sono installati su una parete laterale, ciascuno racchiuso in compartimenti di attrezzature ad alta e bassa tensione separati. Il trasformatore forma quindi parte dell'involucro della sottostazione a scatola, mentre le altre tre pareti laterali sono dotate di dissipatori termici ondulati esposti all'aria. Ciò migliora le condizioni di dissipazione del calore e riduce alcune perdite.
Tuttavia, poiché le parti di dissipazione del calore delle sottostazioni a scatola stile americano sono esposte all'aria per lunghi periodi, emergono nuovi problemi come la corrosione dei materiali a causa dell'ambiente naturale, influendo sulla durata complessiva dell'equipaggiamento. Inoltre, in estate, la temperatura dei dissipatori termici delle sottostazioni a scatola stile americano può raggiungere i 80-90°C, rappresentando un rischio di ustioni per le persone che accidentalmente si avvicinano.
Le sottostazioni a
