Análise de Normas e Desempenho Estrutural de equipamentos de distribuição combinados

Padrões e Classificação de Dispositivos Combinados de Distribuição de Energia

Há uma variedade relativamente grande de dispositivos combinados de distribuição de energia. Os mais comumente usados incluem subestações compactas, transformadores tipo caixa, subestações pré-montadas, transformadores combinados, subestações tipo caixa europeias e subestações tipo caixa americanas.

Padrões Relevantes para Dispositivos Combinados de Distribuição de Energia

Os padrões relevantes atualmente em vigor na China para dispositivos combinados de distribuição de energia incluem principalmente: o padrão nacional GB/T 17467 - 1998 Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão, o padrão da indústria mecânica JB/T 10217 - 2000 Transformadores Combinados, e o padrão de encomenda da indústria elétrica DL/T 537 - 2002 Diretrizes de Seleção para Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão Tipo Caixa.

Em 1995, a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) publicou o padrão IEC1330 - 1995 Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão. O padrão nacional GB/T 17467 - 1998 Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão é equivalente ao padrão IEC1330. Neste padrão, uma subestação pré-fabricada é definida como "equipamento que passou por testes de tipo e é usado para transmitir energia elétrica de um sistema de alta tensão para um sistema de baixa tensão. Inclui transformadores, equipamentos de comutação de alta e baixa tensão, conexões e equipamentos auxiliares encapsulados em uma carcaça".

O padrão da indústria mecânica JB/T 10217 - 2000 Transformadores Combinados estabelece que a definição padrão de um transformador combinado é: "um transformador que combina o corpo do transformador, equipamentos de comutação, fusíveis, reguladores de tensão e equipamentos auxiliares correspondentes".

O padrão de encomenda da indústria elétrica DL/T 537 - 2002 Diretrizes de Seleção para Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão Tipo Caixa revisou o DL/T 537 - 1993 Condições Técnicas de Encomenda para Subestações Tipo Caixa de 6-35kV, tornando o padrão da indústria elétrica para subestações tipo caixa consistente com o IEC 1330 - 1995. As diferenças entre o DL/T 537 - 2002 e o IEC 1330 - 1995 (ou seja, GB/T 17467 - 1998) são mostradas na Tabela 1.

Os três padrões nacionais mencionados acima são todos padrões recomendados. Devido às diferentes características de várias indústrias, cada padrão tem suas próprias características únicas. O padrão de encomenda da indústria elétrica é considerado do ponto de vista do usuário, baseado em padrões internacionais (nacionais), e adiciona o conteúdo introduzido na Tabela 1, fornecendo uma base mais detalhada para a seleção de equipamentos.

Classificação de Dispositivos Combinados de Distribuição de Energia

Apesar dos padrões mencionados acima, a nomenclatura de dispositivos combinados de distribuição de energia nas aplicações práticas não é muito uniforme, e a classificação também varia. Existem principalmente duas categorias: uma é definir apenas as subestações pré-montadas como subestações tipo caixa europeias; a outra é chamar coletivamente todos os dispositivos combinados de distribuição de energia de subestações pré-montadas, e depois dividir as subestações pré-montadas em "subestações tipo caixa europeias" e "subestações tipo caixa americanas". Alguns fornecedores, para atender às necessidades de diferentes usuários, até têm um produto com dois nomes.

Análise de Estrutura e Desempenho

Subestação Pré-fabricada Estilo Europeu

Na década de 1970, a China importou equipamentos de distribuição de energia integrados de 6-10kV de países europeus como França e Alemanha. Este equipamento inovador integrou os três principais componentes de uma subestação (equipamento de comutação de alta tensão, transformador e gabinete de distribuição de baixa tensão) em uma única carcaça, estabelecendo o conceito de subestação pré-fabricada.

Em dezembro de 1993, o antigo Ministério de Eletricidade lançou o padrão da indústria DL/T 537-1993 "Especificações Técnicas para Subestações Pré-fabricadas de 6-35kV". O artigo 3.1 deste padrão define explicitamente: "Um conjunto completo de distribuição de energia compacto, composto por equipamentos de distribuição de alta tensão, transformadores de potência, equipamentos de distribuição de baixa tensão e dispositivos de medição de energia, encapsulados em um ou vários gabinetes, será denominado subestação pré-fabricada, abreviado como subestação tipo caixa." Originado de designs europeus, esta configuração ficou conhecida como subestação pré-fabricada estilo europeu.

Após a publicação do Padrão Nacional GB/T 17467-1998 "Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão" em 1998, a terminologia oficial passou a ser "subestação pré-fabricada". No entanto, tanto os usuários quanto os fabricantes continuam a se referir a essas instalações como subestações tipo caixa ou subestações estilo europeu na prática comum.

Características Estruturais:

A subestação estilo europeu geralmente compreende três compartimentos funcionais:

• Compartimento de alta tensão

• Compartimento de baixa tensão

• Compartimento do transformador

Duas configurações principais são empregadas:

• Disposição linear: Configuração padrão

• Disposição triangular: Adotada para requisitos complexos de circuitos de baixa tensão

Vantagens de Desempenho sobre Subestações Convencionais:

• Otimização de proximidade da carga:

• Reduz o raio de suprimento de energia em 40-60%

• Diminui os custos de investimento em cabos em 25-35%

• Reduz as perdas de linha em 15-20%

• Eficiência espacial:

• Ocupa aproximadamente 10% da área de uma subestação tradicional

• Reduz os custos de engenharia civil em 60-70%

• Instalação simplificada:

• Tempo de construção no local reduzido em 50-60%

Limitações Técnicas e Soluções:

O design de encapsulamento apresenta desafios críticos de gerenciamento térmico:

• Dissipação de calor restrita eleva a temperatura interna (aumento típico de ΔT: 8-12°C)

• Impactos térmicos potenciais na estabilidade dos componentes (degradação estimada do desempenho: 3-5% por aumento de 10°C)

Estratégias de mitigação industriais incluem:

• Sistemas avançados de ventilação:

• Paredes de carcaça com estrutura labirinto

• Ventiladores de exaustão axial (capacidade típica de 200-400 CFM)

• Medidas de melhoria térmica:

• Otimização do radiador (área de superfície aumentada em 20-30%)

• Materiais isolantes resistentes ao calor (Classe H ou superior)

• Essas soluções, embora eficazes, introduzem:

• 
  

• Complexidade estrutural (extensão do ciclo de fabricação: 15-20%)

• Consumo adicional de energia (sistemas auxiliares: 5-8% da carga total)

• Emissões acústicas (aumento típico do nível de ruído: 3-5 dBA)

Avanços Tecnológicos Recentes:

Fabricantes líderes alcançaram desenvolvimentos revolucionários no gerenciamento térmico:

• Configurações inovadoras de dissipação de calor para transformadores (eficiência melhorada: 12-15%)

• Aerodinâmica otimizada da carcaça (redução de temperatura: 6-8°C)

• Projetos de alta capacidade certificados (≥800kVA) sem ventilação forçada

• Conformidade com os limites térmicos de transformadores secos do GB 1094.11 (aumento máximo de temperatura do enrolamento: 100K)

Essas inovações mantêm a conformidade com os padrões nacionais, enquanto alcançam:

• Economia de energia (redução do consumo de energia dos ventiladores: 100%)

• Redução do nível de ruído (4-7 dBA)

• Melhoria da confiabilidade operacional (melhoria do MTBF: 20-25%)

Subestações Tipo Caixa Estilo Americano (Transformadores Combinados)

Na década de 1990, transformadores trifásicos de distribuição compartimentados estilo americano entraram no mercado chinês. De acordo com o Padrão Nacional Americano (ANSI) C57.12.26 - 1992 Padrão para Transformadores de Distribuição Trifásicos Compartimentados Autocarregados com Conectores de Alta Tensão Plug-in, cabos de alta tensão são conectados ao transformador através de conectores de cabo no compartimento de alta tensão, e cabos de baixa tensão são conectados aos terminais de baixa tensão com parafusos no compartimento de baixa tensão. A cuba de óleo do transformador compartimentado montado em plataforma é equipada com fusíveis de alta tensão e interruptores de carga de quatro posições. O transformador pode operar como terminal ou em rede em anel, protegendo e controlando o estado de fornecimento de energia no lado de alta tensão do transformador.

Fabricantes de transformadores na China adicionaram disjuntores de baixa tensão e medidores de energia aos compartimentos de baixa tensão de produtos estilo americano, transformando-os em dispositivos combinados de distribuição de energia. Esses dispositivos são amplamente utilizados em comunidades residenciais. Para distingui-los das subestações tipo caixa estilo europeu, eles são chamados de subestações tipo caixa estilo americano, também conhecidos como transformadores combinados. O padrão da indústria mecânica JB/T 10217 - 2000 Transformadores Combinados explica a definição padrão de transformadores combinados (como mencionado acima). No item 3.7, define os "compartimentos de alta e baixa tensão" como "espaços onde os terminais de cabos de alta e baixa tensão e as partes de operação e controle dos componentes elétricos estão encapsulados por placas de aço, dependendo das paredes da cuba de óleo". Esta é uma das diferenças estruturais em relação às subestações tipo caixa estilo europeu.

Este padrão classifica os transformadores combinados (subestações tipo caixa estilo americano) em dois tipos de acordo com a estrutura da cuba de óleo: tipo com cuba comum e tipo com cuba separada. No tipo com cuba comum, os componentes elétricos de alta tensão compartilham a cuba de óleo do transformador com o corpo do transformador, denotado pela letra ZG. No tipo com cuba separada, componentes elétricos de alta tensão, como interruptores de carga, são colocados em uma cuba de óleo separada, enquanto outros componentes elétricos de alta tensão e o corpo do transformador são instalados em outra cuba de óleo. Os circuitos de óleo das duas cubas não estão conectados, denotado pela letra ZF.

Transformadores Combinados com Cuba Comum

Além das vantagens das subestações tipo caixa estilo europeu, os transformadores combinados com cuba comum têm as seguintes vantagens:

• Menor Área de Ocupação: Ocupa aproximadamente 3/5 da área de uma subestação tipo caixa estilo europeu.

• Melhor Dissipação de Calor: O transformador está diretamente exposto, o que é benéfico para a dissipação de calor. A estrutura é relativamente simples, e o preço de venda é relativamente baixo (aproximadamente 3/5 do preço de uma subestação tipo caixa estilo europeu).

• Transporte e Instalação Conveniente: Menor volume, tornando o transporte e a instalação mais convenientes.

No contexto chinês, as subestações tipo caixa estilo americano importadas diretamente do exterior têm as seguintes deficiências:

• Degrad