Análisis operativo de subestaciones con recinto prefabricado en aplicaciones de clima extremadamente frío
Bajo la diversidad climática global, la construcción de infraestructuras eléctricas en zonas alpinas enfrenta desafíos técnicos y ambientales. Climas extremos, geología compleja y bajas temperaturas invernales prolongadas, junto con hielo, nieve y tormentas, ponen a prueba la estabilidad del equipo eléctrico y la construcción de instalaciones de energía (cronograma, costo, mantenimiento). Las subestaciones tradicionales en el sitio, con largos tiempos de construcción y poca adaptabilidad, no pueden satisfacer las necesidades rápidas y estables de energía en regiones alpinas.
Las subestaciones en cabinas prefabricadas, como configuraciones modulares prefabricadas en fábrica que integran equipos centrales (interruptores de alta tensión, transformadores, sistemas de control), permiten un ensamblaje rápido en el sitio después del transporte. Reducen la dependencia del medio ambiente, mostrando un valor único en áreas alpinas duras y con plazos ajustados. Esta investigación tiene como objetivo impulsar las actualizaciones de los sistemas de energía alpina y el desarrollo de energía en entornos similares a nivel global.
Resumen del Proyecto
El proyecto se encuentra en una región alpina del suroeste de China: temperatura anual promedio de - 8°C, - 30°C en invierno, 5+ meses de hielo-nieve, más de 1m de suelo congelado. A 3600m de altitud, cubre 6000m2(1200m2) de área construida, con una inversión total de ¥55 millones (¥33 millones para equipos, ¥22 millones para construcción).
Tiene 2×120MVA de transformadores principales (para satisfacer la alta carga invernal), 8×10kV de gabinetes de distribución (para la distribución de energía) y 3km de cables de bajo humo y anti-congelación (adecuados para el frío). Con un ciclo de diseño-construcción de 8 meses, se busca garantizar una energía estable y confiable en condiciones extremas.
Colocación de Capa Antihelada
El frío alpino y los ciclos de congelación-descongelación arriesgan la congelación del suelo, poniendo en peligro los cimientos de la subestación y las cabinas. Para abordar esto, se utiliza GCL (conductividad térmica < 0.5W(m·K), buena aislamiento). La capa de 0.8m de espesor previene la hinchazón por helada.
Para el frío extremo: primero, un excavador CAT 336E remueve el suelo superficial congelado/contaminado. Luego, se reemplaza con grava de 5-20mm (300mm de espesor) para aumentar la capacidad de carga y drenaje. Sigue una doble capa de GCL de 400mm de espesor (≥200mm de solapamiento, revisada para huecos). Una capa protectora de grava de 100mm de espesor y 5-15mm de tamaño la cubre para proteger el GCL durante el uso. Durante la construcción, la capa se compacta en secciones de 200mm de espesor, con ≥6 pasadas. Los estándares de calidad están en la Tabla 1
Puntos Clave de la Construcción de la Capa Antihelada
Durante la construcción de la capa antihelada para subestaciones en cabinas prefabricadas en regiones alpinas, los siguientes aspectos clave deben ser estrictamente controlados:
Diseño de Aislamiento Térmico de la Estructura de la Cabina
Bajo el clima severamente frío en regiones alpinas, la temperatura dentro de la cabina puede descender por debajo de -30°C, presentando un desafío severo para la operación estable del equipo en la subestación. Por lo tanto, se requiere un diseño sistemático de aislamiento térmico para mantener un entorno interno estable de la cabina:
Puntos Clave de la Construcción de la Capa Antihelada
Durante la construcción de la capa antihelada para subestaciones en cabinas prefabricadas en regiones alpinas, los siguientes aspectos clave deben ser estrictamente controlados:
Diseño de Aislamiento Térmico de la Estructura de la Cabina
Bajo el clima severamente frío en regiones alpinas, la temperatura dentro de la cabina puede descender por debajo de -30°C, presentando un desafío severo para la operación estable del equipo en la subestación. Por lo tanto, se requiere un diseño sistemático de aislamiento térmico para mantener un entorno interno estable de la cabina:
(1) Selección y Estructura de Materiales de Aislamiento Térmico
(2) Optimización del Proceso de Instalación
Se adopta la tecnología de colgante seco sin purlines para conectar el panel de fachada exterior de FC, el panel de lana de roca y el perfil de acero cuadrado. Se utilizan colgantes y fijadores especiales para combinar estrechamente la capa de aislamiento con el marco estructural. Esta medida logra la continuidad sin fisuras de la capa de aislamiento, evita el efecto de puente térmico (pérdida de calor a través de partes conductoras de calor como el marco metálico) y mejora la eficiencia general de aislamiento térmico.
(3) Tratamiento de Detalles de Sellado
Para la lengüeta y ranura del panel sándwich de lana de roca, se utiliza poliuretano expandido con una densidad de ≥30kg/m³ para rellenar y sellar. Con sus características de plasticidad, hermeticidad, alta resistencia y no absorción de agua, este material forma un entorno de sellado altamente eficiente en ambos extremos del panel sándwich (con una conductividad térmica de ≤0.024W/(m·K)), reduciendo enormemente la pérdida de calor en las juntas, asegurando el rendimiento de aislamiento térmico de la cabina en el entorno alpino y sentando una base sólida para la operación confiable de la subestación en cabina prefabricada en climas extremos.
Instalación de Cables Calentadores
Cuando una corriente eléctrica pasa a través del cable calentador, su resistencia eléctrica se convierte en calor, calentando así el entorno circundante. Para las cabinas de subestaciones prefabricadas en regiones alpinas, se seleccionan cables calentadores con una potencia de 20-30W/m. Este nivel de potencia asegura una salida de calor suficiente para mantener la temperatura interna dentro de un rango de operación seguro para el equipo eléctrico.
Antes de la instalación, se realiza una evaluación térmica detallada utilizando la Ley de Fourier de Conducción de Calor para calcular los requisitos de calefacción de componentes y tuberías críticas. La fórmula matemática es la siguiente:
En los cálculos de conducción de calor:
Para la instalación de cables calentadores:
Fijación: Utilizar abrazaderas de alta resistencia (por ejemplo, clips de acero inoxidable, correas de plástico) para asegurar los cables a las superficies de equipos/tuberías, con un espacio de abrazadera ≤ 30 cm para prevenir el desplazamiento y asegurar la transferencia de calor estable.
Densidad de Disposición: Colocar los cables a intervalos de 10 cm en zanjas y en equipos críticos para proporcionar suficiente calor y prevenir la formación de hielo.
Control de Temperatura: Utilizar termopares tipo K para monitorear la operación de los cables en tiempo real. Combinar con algoritmos PID (proporcional-integral-derivativo) para ajustar automáticamente la salida de potencia, manteniendo la temperatura dentro de los rangos requeridos. La fórmula PID se muestra en la ecuación (2).
Distribución de Dispositivos de Ventilación
En regiones alpinas, las temperaturas extremadamente bajas en invierno pueden afectar el equipo de la subestación (por ejemplo, transformadores, interruptores) y la estabilidad general. Por lo tanto, se instalan simétricamente 4 ventiladores axiales (1.5 kW, (2000 m3/h) en las paredes laterales para garantizar un flujo de aire uniforme y prevenir la condensación.
Para las subestaciones en cabinas prefabricadas, se utiliza un diseño de ventilación "entrada superior, salida inferior". La relación de área de entrada a salida es 1:1.5 para asegurar suficientes cambios de aire. Conductos aislados (50 mm de lana de roca, 0.035 W/(m·K) de conductividad térmica) con envoltura de aluminio de 0.5 mm reducen la pérdida de calor y mantienen temperaturas interiores estables.
Suministro Dual de Energía
Para adaptarse a los climas alpinos, se utilizan dos transformadores sumergidos en aceite S13 - M - 100/10 (100 MVA, 10/0.4 kV) como transformadores principales. Conectados a fuentes de energía independientes, operan en paralelo (tasa de carga del 50% en condiciones estándar) para reducir pérdidas y extender la vida útil. El sistema SCADA monitorea y equilibra las cargas en tiempo real.
En emergencias (por ejemplo, falla de un transformador), el interruptor ATS completa la transferencia de energía en 0.1 s, asegurando una toma de carga sin interrupciones y un suministro de energía estable. Según GB 50052 - 2009, dos reactores DKSC - 100/10 (100 A, 6% de reactancia) limitan la corriente de cortocircuito a ≤ 20 kA, previniendo daños por sobretensión.
Conclusión
Las condiciones extremas de las regiones alpinas (bajas temperaturas, viento, nieve) exigen estándares más altos para la operación y el mantenimiento de las subestaciones en cabinas prefabricadas. El diseño y la construcción deben incluir aislamiento adecuado, calefacción, medidas antihumedad y equipos resistentes a viento y nieve.
Los avances futuros en tecnología y práctica optimizarán aún más estas subestaciones. Los sistemas de monitoreo y despacho inteligentes mejorarán la gestión remota y la adaptabilidad a climas extremos, asegurando un suministro de energía estable y seguro.
