Anàlisi operativa de subestacions prefabricades en aplicacions de clima extremadament fred
Sota la diversitat climàtica global, la construcció d'energia a les muntanyes es troba amb reptes tècnics i ambientals. Els climes extrems, la geologia complexa i les baixes temperatures invernals a llarg termini, juntament amb gel, neu i tempestes, estressen l'estabilitat dels equips elèctrics i la construcció de les instal·lacions d'energia (calendarització, costos, manteniment). Les subestacions tradicionals en lloc, amb una llarga construcció i poca adaptabilitat, no poden satisfer les necessitats ràpides i estables d'energia de les regions alpines.
Les subestacions prefabricades en cabines, com a conjunts modulars prefabricats en fàbrica que integren l'equipament central (interruptors de alta tensió, transformadors, sistemes de control), permeten una assemblatge ràpid al lloc després del transport. Redueixen la dependència ambiental i mostren un valor únic en àrees alpines severes i amb temps limitat. Aquesta recerca té com a objectiu impulsionar les actualitzacions del sistema d'energia alpina i el desenvolupament d'energia en entorns globals similars.
Visió general del projecte
El projecte es troba en una regió alpina del sud-oest de la Xina: temperatura mitjana anual de - 8°C, - 30°C en els nadals, 5+ mesos de gel-neu, congelació del terra superior a 1m. A 3600m d'altitud, cobreix 6000m2(1200m2) d'àrea construïda, amb una inversió total de ¥55 milions (¥33 milions per a l'equipament, ¥22 milions per a la construcció).
Té 2×120MVA de transformadors principals (que compleixen amb la càrrega elevada de l'hivern), 8×10kV de quadres de distribució (per a la distribució d'energia) i 3km de cables de poc fum i anti-congelació (adaptats al fred). Amb un cicle de disseny-construcció de 8 mesos, pretén assegurar una energia estable i fiable en condicions extremes.
Colocació de capa de terra anti-gel
El fred alpí i els cicles de congelaçó-descongelaçó posen en risc la congelació del sòl, perillosa per a les fundacions de les subestacions i les cabines. Per a abordar això, s'utilitza GCL (conductivitat tèrmica < 0.5W(m·K), bona aïllament). La capa de 0,8m d'espessor evita l'agrupació del gel.
Per al fred extrem: primer, un excavadora CAT 336E elimina el terra congelat/contaminat superficial. Després, se substitueix amb gravill de 5–20mm (300mm d'espessor) per augmentar la capacitat portantora i el drenatge. Segueix una doble capa de GCL d'400mm d'espessor (≥200mm de solapament, revisada per a gaps). Una capa protectora de gravill de 100mm d'espessor, 5–15mm, la coronen per protegir el GCL durant l'ús. Durant la construcció, la capa es compacta en seccions de 200mm d'espessor, amb ≥6 passes. Els estàndards de qualitat es troben a la Taula 1
Punts clau de la construcció de la capa de terra anti-gel
Durant la construcció de la capa de terra anti-gel per a les subestacions prefabricades en cabines en regions alpines, els següents aspectes clau han de ser estrictament controlats:
Disseny d'aïllament tèrmic de l'estructura de la cabina
Sota el clima fred sever de les regions alpines, la temperatura interior de la cabina pot descendir a menys de -30°C, suposant un repte greu per a l'operació estable de l'equipament a la subestació. Per tant, es requereix un disseny sistemàtic d'aïllament tèrmic per mantenir un entorn intern estable de la cabina:
Punts clau de la construcció de la capa de terra anti-gel
Durant la construcció de la capa de terra anti-gel per a les subestacions prefabricades en cabines en regions alpines, els següents aspectes clau han de ser estrictament controlats:
Disseny d'aïllament tèrmic de l'estructura de la cabina
Sota el clima fred sever de les regions alpines, la temperatura interior de la cabina pot descendir a menys de -30°C, suposant un repte greu per a l'operació estable de l'equipament a la subestació. Per tant, es requereix un disseny sistemàtic d'aïllament tèrmic per mantenir un entorn intern estable de la cabina:
(1) Selecció i estructura dels materials d'aïllament tèrmic
(2) Optimització del procés d'instal·lació
Es adopta la tecnologia de penjat sec sense purlins per connectar el panell exterior de FC, el panell de roca de roca i el perfil quadrat d'acer. Es fan servir suspensions i fixadors especials per combinar estretament la capa d'aïllament tèrmic amb l'estructura. Aquesta mesura realitza la continuïtat sense costures de la capa d'aïllament tèrmic, evita l'efecte de pont tèrmic (pèrdua de calor a través de parts conductores de calor com l'estructura metàl·lica) i millora l'eficiència general d'aïllament tèrmic.
(3) Tractament detallat de l'hermetització
Per a la ranura de la tonga del panell sándwich de roca de roca, es fa servir poliuretani espumós amb una densitat de ≥30kg/m³ per omplir i hermetitzar. Amb les seves característiques de plasticitat, estanquitat, fortalesa i no absorció d'aigua, aquest material forma un entorn d'hermetització altament eficient als dos extrems del panell sándwich (amb una conductivitat tèrmica de ≤0.024W/(m·K)), reduint enormement la pèrdua de calor a les juntes, assegurant el rendiment d'aïllament tèrmic de la cabina en l'entorn alpí i posant una base sòlida per a l'operació fiable de la subestació prefabricada en cabina en climes extrems.
Instal·lació de cable de calefacció
Quan una corrent elèctrica passa pel cable de calefacció, la seva resistència elèctrica es converteix en calor, escalfant així l'entorn proper. Per a les cabines de subestacions prefabricades en regions alpines, s'han seleccionat cables de calefacció amb una potència de 20–30W/m. Aquest nivell de potència assegura una sortida de calor suficient per mantenir la temperatura interna dins d'un rang operatiu segur per a l'equipament elèctric.
Abans de l'instal·lació, es duu a terme una avaluació tèrmica detallada utilitzant la Llei de Fourier de la conducció de calor per calcular els requisits de calefacció per a components i tuberíes crítics. La fórmula matemàtica és la següent:
En els càlculs de conducció de calor:
Per a l'instal·lació del cable de calefacció:
Fixació: Utilitzar grills d'alta resistència (per exemple, clips d'acer inoxidable, correies de plàstic) per fixar els cables a les superfícies de l'equipament/tuberíes, amb un espaiament de grills ≤ 30 cm per evitar el desplaçament i assegurar la transferència de calor estable.
Densitat de disposició: Disposar els cables a intervals de 10 cm en trinxeres i en equipaments crítics per proporcionar calor suficient i prevenir la formació de gel.
Control de temperatura: Utilitzar termocuples de tipus K per monitorar l'operació dels cables en temps real. Combinar amb algoritmes PID (proporcional-integral-derivada) per ajustar automàticament la sortida de potència, mantenint la temperatura dins dels rangs requerits. La fórmula PID es mostra a l'Equació (2).
Disposició del dispositiu de ventilació
En les regions alpines, les temperatures extremes de l'hivern poden afectar l'equipament de la subestació (per exemple, transformadors, interruptors) i la seva estabilitat general. Per tant, es fan instal·lar simètricament 4 ventiladors axials (1,5 kW, (2000 m3/h) en les parets laterals per assegurar un flux d'aire uniforme i prevenir la condensació.
Per a les subestacions prefabricades en cabines, es fa servir un disseny de ventilació "entrada superior, exhaust inferior". La raó d'àrea d'entrada a exhaust és 1:1.5 per assegurar canvis d'aire suficients. Conduits aïllats (50 mm de roca de roca, 0.035 W/(m·K) de conductivitat tèrmica) envoltats amb 0,5 mm de full d'alumini reduïxen la pèrdua de calor i mantenen temperatures interiors estables.
Doble alimentació elèctrica
Per adaptar-se als climes alpins, es fan servir dos transformadors immersos en oli S13-M-100/10 (100 MVA, 10/0,4 kV) com a transformadors principals. Connectats a fonts d'energia independents, funcionen en paral·lel (taxa de càrrega del 50% en condicions normals) per reduir les pèrdues i allargar la vida útil. El sistema SCADA monitoritza i equilibra les càrregues en temps real.
En casos d'emergència (per exemple, si un transformador falla), el commutador ATS completa la transferència de potència en 0,1 s, assegurant una transició fluida de la càrrega i un subministrament d'energia estable. Segons la norma GB 50052-2009, dos reactors DKSC-100/10 (100 A, reactància del 6%) limiten la corrent de curto-circuit a ≤ 20 kA, prevenint danys per sobretensió.
Conclusió
Les condicions extreemes de les regions alpines (baixes temperatures, vent, neu) requereixen estàndards més alts per a l'operació i el manteniment de les subestacions prefabricades en cabines. El disseny i la construcció han de incloure aïllaments adequats, calefacció, mesures contra l'humitat i equipament resistent al vent i la neu.
Avanços futurs en tecnologia i pràctica optimitzaràn encara més aquestes subestacions. Sistemes de monitorització i despach intel·ligents milloraran la gestió remota i l'adaptabilitat a climes extrems, assegurant un subministrament d'energia estable i segur.
