Analiza standardov in strukturne učinkovitosti kombinirane distribucijske opreme

Standardi in razvrščanje združenih napajalnih naprav

Obstaja relativno velika število različic združenih napajalnih naprav. Zelo pogosto uporabljane so pakirane podstanice, škatlaste transformatorje, predmontirane podstanice, združeni transformatorji, evropskega stila škatlaste podstanice in ameriškega stila škatlaste podstanice.

Relevantni standardi za združene napajalne naprave

Trenutno veljavni relevantni standardi za združene napajalne naprave v Kitajski vključujejo: nacionalni standard GB/T 17467-1998 Visokonapetostne/nizkonapetostne predmontirane podstanice, industrijski mehanski standard JB/T 10217-2000 Združeni transformatorji in narodni električni standard DL/T 537-2002 Smernice za izbiro visokonapetostnih/nizkonapetostnih predmontiranih škatlastih podstanic.

Leta 1995 je Mednarodna elektrotehnična komisija (IEC) objavila standard IEC1330-1995 Visokonapetostne/nizkonapetostne predmontirane podstanice. Nacionalni standard GB/T 17467-1998 Visokonapetostne/nizkonapetostne predmontirane podstanice je enakovreden standardu IEC1330. V tem standardu je predmontirana podstanica določena kot "oprema, ki je prešla tip testiranja in se uporablja za prenos električne energije iz visokonapetostnega sistema v nizkonapetostni sistem. Vključuje transformatorje, nizko- in visokonapetostno preklopniko, povezovalne črte in pomožno opremo, zaprto v kovinski posode".

Industrijski mehanski standard JB/T 10217-2000 Združeni transformatorji določa, da je standardna definicija združenega transformatorja: "transformator, ki združuje telo transformatorja, preklopno opremo, preplinske vtičnice, tap-changerje in ustreznjo pomožno opremo".

Narodni električni standard DL/T 537-2002 Smernice za izbiro visokonapetostnih/nizkonapetostnih predmontiranih škatlastih podstanic je prenovil prvotni DL/T 537-1993 Tehnične pogoje za naročilo 6-35kV škatlastih podstanic, kar je prineslo uskladitev narodnega standarda za škatlaste podstanci s standardom IEC 1330-1995. Razlike med DL/T 537-2002 in IEC 1330-1995 (tj. GB/T 17467-1998) so prikazane v Tabeli 1.

Zgornji tri domače standardi so vsi priporočili. Zaradi različnih značilnosti različnih industriji ima vsak standard svoje unikatne značilnosti. Narodni električni standard za naročilo je razmislel iz perspektive uporabnika, temelji na mednarodnih (nacionalnih) standardih in dodaja vsebino, predstavljeno v Tabeli 1, kar prinaša bolj podrobno osnovo za izbiro opreme.

Razvrščanje združenih napajalnih naprav

Čeprav so omenjeni standardi, imenovanje združenih napajalnih naprav v praktični uporabi ni zelo enotno, razvrščanje tudi razlikuje. Glavno je dve kategoriji: ena je, da se predmontirane podstanice definirajo samo kot evropskega stila škatlaste podstanice; druga pa je, da se vse združene napajalne naprave skupaj imenujejo predmontirane podstanice, nato pa se predmontirane podstanice razdelijo na "evropskega stila škatlaste podstanice" in "ameriškega stila škatlaste podstanice". Nekateri dobavitelji, da bi zadovoljili potrebe različnih uporabnikov, celo imajo produkt z dvema imenoma.

Struktura in analiza zmogljivosti

Evropskega stila predmontirana podstanica

V 70. letih je Kitajska uvozila 6-10kV združeno napajalno opremo iz evropskih držav, kot so Francija in Nemčija. Ta inovativna oprema je integrirala tri glavne komponente podstanice (visokonapetostno preklopno opremo, transformator in nizkonapetostno distribucijsko škatlo) v eno kovinsko posodo, s tem pa je uvedla koncept predmontirane podstanice.

Decembra 1993 je bivši ministerstvo za električno energijo izdal industrijski standard DL/T 537-1993 "Tehnične specifikacije za 6-35kV predmontirane podstanice". Člen 3.1 tega standarda jasno določa: "Kompaktna celotna napajalna skupina, sestavljena iz visokonapetostne distribucijske opreme, napajalnih transformatorjev, nizkonapetostne distribucijske opreme in merilne opreme za električno energijo, zaprta v eno ali več kabinetov, naj bo imenovana predmontirana podstanica, skrajšano kot škatlasta podstanica." Ker je ta konfiguracija izvirala iz evropskih oblik, jo je postala znana kot evropskega stila predmontirana podstanica.

Po objavi nacionalnega standarda GB/T 17467-1998 "Visokonapetostne/nizkonapetostne predmontirane podstanice" leta 1998 se je uradno terminologija spremenila v "predmontirana podstanica". Kljub temu uporabniki in proizvajalci v praksi še vedno te instalacije imenujejo kot škatlaste podstanice ali evropskega stila podstanice.

Strukturne značilnosti:

Evropska podstanica tipično vključuje tri funkcionalne odseke:

• Visokonapetostna soba

• Nizkonapetostna soba

• Transformatorska soba

Uporabljata sta dva glavna razporeditvena načela:

• Linearna razporeditev: Standardna konfiguracija

• Trikotna razporeditev: Uporabljena za kompleksne zahteve nizkonapetostnih vezij

Prednosti nad klasičnimi podstanicami:

• Optimizacija blizu bremena:

• Zmanjša polmer oskrbe za 40-60%

• Zmanjša stroške investicij v kablove za 25-35%

• Zmanjša izgube v vezju za 15-20%

• Učinkovitost prostora:

• Zasede približno 10% površine tradicionalne podstanice

• Zmanjša stroške gradbeniškega dela za 60-70%

• Poenostavljena namestitev:

• Čas konstruiranja na terenu zmanjšan za 50-60%

Tehnične omejitve in rešitve:

Ohištje oblikuje ključne izzive pri upravljanju toplote:

• Omejena disipacija toplote poviša notranjo temperaturo (tipičen povečan ΔT: 8-12°C)

• Možni termalni vplivi na stabilnost komponent (ocenjena degradacija zmogljivosti: 3-5% na 10°C povečanje)

Industrijske strategije za zmanjšanje vključujejo:

• Napredne sisteme ventilacije:

• Labirintska struktura sten ohišja

• Axialni izduvniki (običajno kapaciteta 200-400 CFM)

• Merila za termalno izboljšavo:

• Optimizacija hladilnika (površina povečana za 20-30%)

• Toplotoodporni izolacijski materiali (razred H ali višji)

• Te rešitve, čeprav učinkovite, prinašajo:

• 
  

• Strukturna kompleksnost (prodnosni cikel podaljšan za 15-20%)

• Dodatni porabi energije (pomožni sistemi: 5-8% skupnega obsega)

• Akustični emisije (tipično povečanje ravena hrupa: 3-5 dBA)

Nedavne tehnološke napredek:

Vodilni proizvajalci so dosegli prebojne razvoje v upravljanju toplote:

• Novi načini disipacije toplote za transformatorje (izboljšana učinkovitost: 12-15%)

• Optimizirana aerodinamika ohišja (zmanjšanje temperature: 6-8°C)

• Certificirani visoko kapacitetni dizajni (≥800kVA) brez prisilne ventilacije

• Skladnost s standardom GB 1094.11 za termalne omejitve suhega transformatorja (maksimalno povečanje temperature ovitkov: 100K)

Ti inovacije ohranjajo skladnost s nacionalnimi standardi, hkrati pa dosežejo:

• Štedanje energije (zmanjšanje porabe ventilatorjev: 100%)

• Zmanjšanje ravena hrupa (4-7 dBA)

• Izboljšana delovna zanesljivost (izboljšanje MTBF: 20-25%)

Ameriškega stila škatlaste podstanice (združeni transformatorji)

V 90. letih so ameriškega stila oddelek trifaznih distribucijskih transformatorjev vstopili na kitajski trg. Po ameriškem nacionalnem standardu (ANSI) C57.12.26-1992 Standard za pad-mounted oddelek trifaznih samohlajenih distribucijskih transformatorjev z visokonapetostnimi vtičnimi konektorji, se visokonapetostni kabeli povežejo s transformatorjem preko kabelskih konektorjev v visokonapetostnem odseku, nizkonapetostni kabeli pa se povežejo s nizkonapetostnimi terminali s krpi v nizkonapetostnem odseku. Olična posoda pad-mounted oddelek distribucijskega transformatorja je opremljena s visokonapetostnimi preplinskimi vtičnicami in štiripozicijskimi naložnimi preklopniki. Transformator lahko deluje kot terminal ali v zanki, varuje in kontrolira stanje oskrbe na visokonapetostni strani transformatorja.

Kitajski proizvajalci transformatorjev so nizkonapetostne prekinitve in merilne naprave dodali v nizkonapetostne odseke ameriških izdelkov, s tem pa so jih pretvorili v združene napajalne naprave. Te naprave so široko uporabljane v naseljih. Da bi jih razlikovali od evropskih škatlastih podstanc, jih imenujejo ameriškega stila škatlaste podstanice, tudi znane kot združeni transformatorji. Industrijski mehanski standard JB/T 10217-2000 Združeni transformatorji razjasnjuje standardno definicijo združenih transformatorjev (kot je omenjeno zgoraj). V 3.7 definira "visokonapetostne in nizkonapetostne odseke" kot "prostore, kjer so visokonapetostni in nizkonapetostni konektorji kabelov in operacijski in kontrollni deli električnih komponent zaprti s črtnimi platinami, poleg sten olične posode". To je eden od strukturnih razlik od evropskih škatlastih podstanc.

Ta standard združene transformatorje (ameriškega stila škatlaste podstanice) razdeli na dva tipa glede na strukturo olične posode: skupna olična posoda in ločena olična posoda. V skupni olični posodi so visokonapetostne električne komponente, kot so naložni preklopniki, v isti olični posodi kot telo transformatorja, označeno z črko ZG. V ločeni olični posodi so visokonapetostne električne komponente, kot so naložni preklopniki, postavljene v ločeno olično posodo, ostale visokonapetostne električne komponente in telo transformatorja pa so nameščene v drugo olično posodo. Olični okrogli dveh oličnih posod nista povezana, označeno z črko ZF.

Združeni transformatorji z skupno olično posodo

Poleg prednosti evropskih škatlastih podstanc imajo združeni transformatorji z skupno olično posodo naslednje prednosti:

• Manjša površina: Zasede približno 3/5 površine evropske škatlaste podstanice.

• Boljša disipacija toplote: Transformator je neposredno izpostavljen, kar je koristno za disipacijo toplote. Struktura je relativno preprosta, prodajna cena pa je relativno nizka (približno 3/5 cene evropske škatlaste podstanice).

• Pogodljiva prevoz in namestitev: Manjši v prostornini, kar omogoča lažji prevoz in namestitev.

V kitajskem kontekstu imajo ameriške škatlaste podstanice, neposredno uvožene iz tujine, naslednje pomanjkljivosti:

• Degradacija transformatorne olje: Ko deluje visokonapetostni naložni preklopnik, je možno, da nastali luk razcepi transformatorno olje, kar vpliva na splošno življenjsko dobo ameriške škatlaste podstanice.

• Operacija z manjkajočim faznim: Ko zgore visokonapetostna preplinska vtičnica, lahko do pride do operacije transformatorja z manjkajočim faznim.

• Omejena funkcionalnost visokonapetostnega vezja: Visokonapetostno vezje ima relativno preproste funkcije, ki ne popolnoma ustrezajo trenutnim regulativam za električno delo. Na primer, visokonapetostni naložni preklopnik nima očitne točke preklopa.

Za reševanje teh problemov so domači proizvajalci izvedli več izboljšav. Kot je omenjeno zgoraj, so nizkonapetostne prekinitve (običajno inteligentne zračne prekinitve) dodali v nizkonapetostne odseke ameriških škatlastih podstanc, s tem pa so dosegli več vrst zaščite pred napakami, kot so preobremenitev, podnapetost, kratkoporočna vezja in zemljenje. To odpravi pojav zgorevanja visokonapetostnih preplinskih vtičnic zaradi kratkoporočnih vezij ali preobremenitev v nizkonapetostnih odvodnih vezij, s tem pa se izogne operaciji transformatorja z manjkajočim faznim. Drugič, je bil visokonapetostni del ponovno oblikovan. Na primer, glede visokonapetostne zaščite uporabljajo ameriške škatlaste podstanice naložne preklopnike za prekinitev naložnega zasilja in se zanašajo na rezervne zaščitne preplinske vtičnice in vtičnice za popolno zaščito zasilja.

Združeni transformatorji z ločeno olično posodo

Do zdaj so večina ameriških škatlastih podstanc, proizvedenih s strani proizvajalcev transformatorjev, spadali v skupino ZG združenih transformatorjev z skupno olično posodo. Za odpravljanje pomanjkljivosti združenih transformatorjev z skupno olično posodo, so domači proizvajalci transformatorjev ločili visokonapetostne komponente, kot so naložni preklopniki in rezervne zaščitne preplinske vtičnice, od olične posode transformatorja. V male odseke visokonapetostnih komponent, kot so naložni preklopniki, so injicirali visokotočno olje, v olično posodo transformatorja pa navadno olje številke 25. To reši problem staranja transformatornega olja zaradi delovanja naložnega preklopnika in tudi problem disipacije toplote zaradi uporabe visokotočnega olja v celotni olični posodi transformatorja (zaradi njegove visoke globočine).

Uporaba transformatorjev z amorfno legiro

Transformator je največja in najbolj toplotna komponenta v škatlasti podstanici. Njegove strukturne značilnosti in stopnja izgub so neposredno povezani z celotnim oblikovanjem škatlaste podstanice.

Leta 1996 je Kitajska uspešno razvila in proizvedla nekristalne distribucijske transformatorje pod 500 kVA, vendar je proizvodnja bila majhna, in ni bila dosežena velika proizvodnja. Leta 1998 je Shanghai Xindian Electric Company uvozila tehnologijo oblikovanja in proizvodnje amorfne transformatorjev od General Electric (GE) v ZDA za veliko proizvodnjo. Trenutno obstaja več kot 20 proizvajalcev amorfne transformatorjev. Brezobratna izguba amorfne legire je 20% S9 serije, kar kaže zelo pomembno učinko pri štedilu energije.

ANSI standardi za distribucijske transformatorje igrajo tudi v širšem kontekstu tehnologije in trga transformatorjev. Vendar je glavni faktor, ki omejuje uporabo amorfne legire v domačih škatlastih podstanc, cena, kar zahteva, da država uvede ustreza spodbudne politike. V resnici obstaja mnogo spodbudnih politik za uporabo amorfne legire v domačih in tujskih krajevih. Po slovesu tajvanskih proizvajalcev je Tajvan oblikoval stroge standarde za izdelke z nekristalno legiro. Kjer koli uporabniki kupijo amorfne transformatorje, lahko prejmejo subvencije na osnovi kapacitete transformatorja, z nagrado deset tisoč novih tajvanskih dolarjev na kW.

Primerjava med evropskimi in