Operační analýza předvážených uzavřených transformátorových stanic v extrémně chladném klimatu
V rámci globální klimatické diverzity čelí výstavba elektrických zařízení v horských oblastech technickým a environmentálním výzvám. Extrémní klima, složitá geologie a dlouhodobě nízké zimní teploty, spolu s ledem, sněhem a bouřemi, představují zátěž pro stabilitu elektrického vybavení a výstavbu elektrických zařízení (termín, náklady, údržba). Tradiční místní transformační stanice s dlouhou dobu výstavby a špatnou adaptabilitou nemohou splnit potřeby rychlého a stabilního dodávání energie v horských oblastech.
Předvystavěné modulové transformační stanice, jako jsou totočné, továrně předvystavěné instalace integrující klíčové vybavení (vysokonapěťové spínací přístroje, transformátory, řídicí systémy), umožňují rychlou montáž na místě po přepravě. Sníží závislost na prostředí a ukazují unikátní hodnotu v těžkých podmínkách a v časově omezených horských oblastech. Tato studie má za cíl posílit modernizaci elektroenergetických systémů v horách a rozvoj energetiky v obdobných prostředích po celém světě.
Přehled projektu
Projekt se nachází v jihozápadní části Číny v horské oblasti: průměrná roční teplota - 8°C,- 30°C v zimě, více než 5 měsíců ledu a sněhu, více než 1 metr zamrzlé půdy. V nadmořské výšce 3600 m pokrývá 6000m2(1200m2) stavbu, s celkovým investicím ¥55 milionů (¥33 milionů na vybavení, ¥22 milionů na výstavbu).
Má 2×120 MVA hlavní transformátory (pro zajištění vysokého zatížení v zimě), 8×10 kV distribuční skříně (pro distribuci energie) a 3 km nízkodýmavých, mrazuvzdorných kabelů (vhodných pro chladné podmínky). S osmiměsíčním cyklem návrhu a výstavby se snaží zajistit stabilní a spolehlivé dodávání energie v extrémních podmínkách.
Uložení mrazuvzdorné vrstvy půdy
Chladné horské podmínky a cykly mrazení a tavení ohrožují mrazem půdu, což ohrožuje základy transformační stanice a kabiny. Pro řešení tohoto problému se používá GCL (tepelná vodivost < 0.5W(m·K), dobrá izolace). 0,8 metru silná vrstva brání mrazovému vzniku.
Pro extrémní chlad: nejdříve odstraní bagr CAT 336E zamrzlou/zamořenou vrchní vrstvu půdy. Poté je nahrazena štěrkem o velikosti 5–20 mm (300 mm silná) pro zlepšení nosnosti a odvodnění. Následuje 400 mm silná dvouvrstvá GCL (≥200 mm překryv, kontrola trhlin). 100 mm silná ochranná vrstva štěrku 5–15 mm (na vrcholu) chrání GCL během použití. Během výstavby je vrstva stlačena v sekce 200 mm silné, s ≥6 projížďkami. Standardy kvality jsou uvedeny v tabulce 1
Klíčové body výstavby mrazuvzdorné vrstvy půdy
Během výstavby mrazuvzdorné vrstvy půdy pro předvystavěné modulové transformační stanice v horských oblastech je třeba přísně kontrolovat následující klíčové aspekty:
Tepelná izolace konstrukce kabiny
V extrémně chladném klimatu v horských oblastech může teplota uvnitř kabiny klesnout pod -30°C, což představuje závažnou výzvu pro stabilní provoz zařízení v transformační stanici. Je tedy nutná systematická tepelná izolační konstrukce, která udržuje stabilní vnitřní prostředí kabiny:
Klíčové body výstavby mrazuvzdorné vrstvy půdy
Během výstavby mrazuvzdorné vrstvy půdy pro předvystavěné modulové transformační stanice v horských oblastech je třeba přísně kontrolovat následující klíčové aspekty:
Tepelná izolace konstrukce kabiny
V extrémně chladném klimatu v horských oblastech může teplota uvnitř kabiny klesnout pod -30°C, což představuje závažnou výzvu pro stabilní provoz zařízení v transformační stanici. Je tedy nutná systematická tepelná izolační konstrukce, která udržuje stabilní vnitřní prostředí kabiny:
(1) Výběr a struktura tepelně izolačních materiálů
(2) Optimalizace instalačního procesu
Byla zavedena technologie bez vazebních dřevěných nosníků pro spojení externí stěny z FC, panely z horninové vaty a čtvercového ocelového kele. Speciální držáky a spojovací prvky jsou použity k pevnému spojení tepelně izolační vrstvy s konstrukčním rámem. Tato opatření realizují nespojitou kontinuitu tepelně izolační vrstvy, zabrání tepelné mostovému efektu (ztrátě tepla přes tepelně vodivé části, jako je kovový rám) a zlepší celkovou tepelnou izolační efektivitu.
(3) Zpracování detailech uzávěrů
Pro zapojení panelu z horninové vaty s jazykem a hřebenem se používá polystyren s hustotou ≥30kg/m³ pro výplň a uzávěr. Díky jeho vlastnostem plastiky, vzduchopěnosti, vysoké síle a neschopnosti absorbovat vodu tento materiál vytváří vysokou efektivitu uzávěru na obou koncích sandwichového panelu (s tepelnou vodivostí ≤0.024W/(m·K)), což velmi snižuje ztráty tepla v spojích, zajišťuje tepelnou izolaci kabiny v horském prostředí a klade pevný základ pro spolehlivý provoz předvystavěné transformační stanice v extrémních klimatických podmínkách.
Instalace ohřívacího kabelu
Když proud prochází ohřívacím kabelem, jeho elektrický odpor se přemění na teplo, čímž se ohřívá okolní prostředí. Pro předvystavěné transformační stanice v horských oblastech jsou vybrány ohřívací kabely s výkonem 20–30 W/m. Tento výkon zajišťuje dostatečný výkon tepla, aby se udržovala vnitřní teplota v bezpečném provozním rozmezí pro elektrické zařízení.
Před instalací je provedena detailní tepelná analýza pomocí Fourierova zákona tepelné vodivosti pro výpočet tepelných požadavků klíčových komponent a potrubí. Matematická formule je následující:
V výpočtech tepelné vodivosti:
Pro instalaci ohřívacího kabelu:
Upevnění: Použijte vysokopevné klešti (např. nerostnaté ocelové klešti, plastové pásky) k upevnění kabelů na povrchy zařízení/potrubí, s vzdáleností klešťů ≤ 30 cm, aby se zabránilo posunu a zajistilo stabilní přenos tepla.
Hustota rozložení: Uspořádejte kabely ve vzdálenosti 10 cm v příkopech a na klíčových zařízeních, aby bylo poskytnuto dostatečné teplo a zabránilo zalednění.
Řízení teploty: Použijte termočlany typu K k reálnému času monitorování provozu kabelu. Spojte s algoritmy PID (proporční-integrační-derivovací) pro automatickou úpravu výkonu, aby se udržela teplota v požadovaném rozmezí. Formule PID je uvedena v rovnici (2).
Rozložení ventilace
V horských oblastech mohou extrémně nízké zimní teploty ovlivnit zařízení transformační stanice (např. transformátory, spínací přístroje) a celkovou stabilitu. Proto jsou symetricky na bočních stěnách nainstalovány 4 axiální ventilační čerpadla (1,5 kW, (2000 m3/h), aby zajistily rovnoměrný proud vzduchu a zabránily kondenzaci.
Pro předvystavěné transformační stanice se používá design ventilace "vnitřní vstup, dolní výstup". Poměr plochy vstupu a výstupu je 1:1.5 pro zajištění dostatečného množství výměny vzduchu. Izolované potrubí (50 mm horninová vata, 0.035 W/(m·K) tepelná vodivost) s 0,5 mm hliníkovým folií snižují ztráty tepla a udržují stabilní vnitřní teploty.
Dvojité zásobování elektrickou energií
Pro adaptaci na horské klima jsou použity dva olejově namočené transformátory S13 - M - 100/10 (100 MVA, 10/0,4 kV) jako hlavní transformátory. Jsou připojeny k nezávislým zdrojům energie a pracují paralelně (50% zatížení za standardních podmínek) pro snížení ztrát a prodloužení životnosti. SCADA systém monitoruje a vyrovnává zatížení v reálném čase.
V nouzových situacích (např. selhání jednoho transformátoru) dokončí přepínací spínač ATS převod energie do 0,1 s, což zajišťuje hladké převzetí zatížení a stabilní dodávku energie. Podle GB 50052 - 2009 omezují dva reaktory DKSC - 100/10 (100 A, 6 % reaktance) krátkozaměrný proud na ≤ 20 kA, aby se zabránilo poškození přetlakem.
Závěr
Extrémní podmínky v horských oblastech (nízké teploty, větry, sněhové bouře) vyžadují vyšší normy pro provoz a údržbu předvystavěných transformačních stanic. Návrh a výstavba musí zahrnovat vhodné tepelné izolace, topení, protivodní opatření a vybavení odolné proti větru a sněhu.
Budoucí pokroky v technologii a praxi dále optimalizují tyto transformační stanice. Inteligentní systémy sledování a dispečinku budou zlepšovat vzdálené správu a adaptabilitu v extrémních klimatických podmínkách, což zajišťuje stabilní a bezpečnou dodávku energie.
