تحلیل عملکرد زیرстанسیون‌های پیش ساخته در کاربردهای آب و هوای بسیار سرد
در تنوع اقلیمی جهانی، ساخت و ساز برق در مناطق کوهستانی با چالش‌های فنی و محیطی مواجه است. آب و هوای شدید، زمین‌شناسی پیچیده و دمای کم طولانی‌مدت زمستانی، همراه با یخ، برف و طوفان‌ها، تجهیزات برق و ساخت و ساز تسهیلات برق (برنامه، هزینه، نگهداری) را تحت فشار قرار می‌دهند. زیرстанسیون‌های سنتی محلی با ساخت و ساز طولانی و انطباق ضعیف، نمی‌توانند نیازهای سریع و پایدار مناطق کوهستانی را برآورده کنند.
زیرستانسیون‌های کابین پیش‌ساخته به عنوان سیستم‌های ماژولار و پیش‌ساخته کارخانه‌ای که تجهیزات اصلی (سوئیچ‌های فشار بالا، ترانسفورماتورها، سیستم‌های کنترل) را یکپارچه می‌کنند، امکان مونتاژ سریع در محل را پس از حمل و نقل فراهم می‌کنند. آنها وابستگی به محیط را کاهش می‌دهند و ارزش منحصر به فردی در مناطق کوهستانی سخت و با زمان محدود نشان می‌دهند. هدف این تحقیق ارتقا سیستم‌های برق کوهستانی و توسعه برق در محیط‌های مشابه در سراسر جهان است.
مروری بر پروژه
این پروژه در یک منطقه کوهستانی جنوب غربی چین قرار دارد: میانگین دمای سالانه - 8°C، کمترین دمای زمستان - 30°C، بیش از ۵ ماه برف و یخ، بیش از ۱ متر یخ زمین. در ارتفاع ۳۶۰۰ متر، مساحت ساخته شده ۶۰۰۰m2(1200m2) است و مبلغ کل سرمایه‌گذاری ۵۵ میلیون یوان (۳۳ میلیون یوان برای تجهیزات و ۲۲ میلیون یوان برای ساخت و ساز).
این پروژه شامل ۲×۱۲۰MVA ترانسفورماتور اصلی (برای بار بالای زمستان)، ۸×۱۰kV کابین‌های توزیع (برای توزیع برق) و ۳ کیلومتر کابل ضد دود و یخ زدن (مناسب برای سرما) است. با یک چرخه طراحی و ساخت ۸ ماهه، هدف آن اطمینان از برق پایدار و قابل اعتماد در شرایط شدید است.
قرار دادن لایه خاک مقاومت‌بخش به یخ زدن
سرما کوهستانی و چرخه‌های یخ زدن و ذوب می‌توانند باعث یخ زدن خاک شده و بنابراین پایه‌های زیرستانسیون و کابین‌ها را در معرض خطر قرار دهند. برای حل این مشکل، GCL (رسانایی گرما < 0.5W(m·K)، عایق خوب) استفاده می‌شود. لایه ۰.۸ متری این ماده از یخ زدن خاک جلوگیری می‌کند.
برای سرما شدید: ابتدا یک کلنک ۳۳۶E CAT خاک یخ زده و آلوده رویی را حذف می‌کند. سپس گردوخرد ۵-۲۰ میلی‌متری (۳۰۰ میلی‌متر ضخامت) به جای آن قرار می‌گیرد تا ظرفیت تحمل و دренاژ را افزایش دهد. سپس لایه دوبله ۴۰۰ میلی‌متری GCL (≥۲۰۰ میلی‌متر تداخل، برای گپ‌ها بررسی شده) پشت سر آن قرار می‌گیرد. یک لایه محافظ گردوخرد ۱۰۰ میلی‌متری ۵-۱۵ میلی‌متری برای محافظت از GCL در طول استفاده در بالای آن قرار می‌گیرد. در طول ساخت، لایه در بخش‌های ۲۰۰ میلی‌متری پهن شده و با حداقل ۶ بار گذر می‌کند. استانداردهای کیفیت در جدول ۱ آورده شده‌اند.
نقاط کلیدی ساخت لایه خاک مقاومت‌بخش به یخ زدن
در طول ساخت لایه خاک مقاومت‌بخش به یخ زدن برای زیرستانسیون‌های کابین پیش‌ساخته در مناطق کوهستانی، جنبه‌های کلیدی زیر باید به صورت دقیق کنترل شوند:
طراحی عایق حرارتی ساختار کابین
در شرایط سرما شدید مناطق کوهستانی، دمای داخل کابین ممکن است به زیر -30°C برسد، که چالش شدیدی برای عملکرد پایدار تجهیزات در زیرستانسیون ایجاد می‌کند. بنابراین، نیاز به طراحی عایق حرارتی سیستماتیک برای حفظ محیط داخلی پایدار کابین است:
نقاط کلیدی ساخت لایه خاک مقاومت‌بخش به یخ زدن
در طول ساخت لایه خاک مقاومت‌بخش به یخ زدن برای زیرستانسیون‌های کابین پیش‌ساخته در مناطق کوهستانی، جنبه‌های کلیدی زیر باید به صورت دقیق کنترل شوند:
طراحی عایق حرارتی ساختار کابین
در شرایط سرما شدید مناطق کوهستانی، دمای داخل کابین ممکن است به زیر -30°C برسد، که چالش شدیدی برای عملکرد پایدار تجهیزات در زیرستانسیون ایجاد می‌کند. بنابراین، نیاز به طراحی عایق حرارتی سیستماتیک برای حفظ محیط داخلی پایدار کابین است:
(۱) انتخاب و ساختار مواد عایق حرارتی
(۲) بهینه‌سازی فرآیند نصب
تکنولوژی نصب بدون پرین دایری به کار گرفته شده تا پنل فاساد خارجی FC، پنل سنگ‌پشم و دامنه فولادی مربعی به هم متصل شوند. از معلقات و قطعات ثابت خاص استفاده شده تا لایه عایق حرارتی به چارچوب ساختاری به صورت محکم ترکیب شود. این تدابیر اتصال مداوم لایه عایق حرارتی را تحقق می‌بخشند، اثر پل حرارتی (گمشدن گرما از طریق قسمت‌های هادی گرما مانند چارچوب فلزی) را اجتناب می‌کنند و کارایی عایق حرارتی کلی را بهبود می‌بخشند.
(۳) رسیدگی به جزئیات بستن
برای جوش‌وجوش پنل سندویچی سنگ‌پشم، از پلی‌اورتان پنفرنگ با چگالی ≥۳۰kg/m۳ برای پر کردن و بستن استفاده می‌شود. با ویژگی‌های پلاستیسیته، محکم بودن، قدرت بالا و عدم جذب آب، این ماده یک محیط بستن با کارایی بالا در دو طرف پنل سندویچی (با رسانایی گرما ≤۰.۰۲۴W/(m·K)) تشکیل می‌دهد، که از دست رفتن گرما در اتصالات را به شدت کاهش می‌دهد، عملکرد عایق حرارتی کابین در محیط کوهستانی را تضمین می‌کند و پایه‌ای محکم برای عملکرد قابل اعتماد زیرستانسیون کابین پیش‌ساخته در اقلیم‌های شدید فراهم می‌کند.
نصب کابل گرمایشی
وقتی جریان الکتریکی از طریق کابل گرمایشی عبور می‌کند، مقاومت الکتریکی آن به گرما تبدیل می‌شود و در نتیجه محیط اطراف را گرم می‌کند. برای زیرستانسیون‌های کابین پیش‌ساخته در مناطق کوهستانی، کابل‌های گرمایشی با توان ۲۰-۳۰W/m انتخاب شده‌اند. این سطح توان اطمینان می‌دهد که گرما کافی تولید شود تا دمای داخلی در محدوده عملکرد ایمن تجهیزات الکتریکی حفظ شود.
قبل از نصب، ارزیابی حرارتی دقیقی با استفاده از قانون گرمایش فوریه انجام می‌شود تا نیازهای گرمایشی برای مولفه‌ها و خطوط اصلی محاسبه شود. فرمول ریاضی به شرح زیر است:
در محاسبات انتقال حرارت:
برای نصب کابل گرمایشی:
ثبت: از قفل‌های قدرت بالا (مانند کلیپ‌های فولاد نیرومند، بند‌های پلاستیکی) برای ثبت کابل‌ها به سطوح تجهیزات/خطوط استفاده کنید، با فاصله قفل ≤ ۳۰ سانتی‌متر تا جلوگیری از جابجایی و تضمین انتقال گرما پایدار.
تراکم ترتیب: کابل‌ها را با فاصله ۱۰ سانتی‌متر در خندق‌ها و روی تجهیزات مهم مرتب کنید تا گرما کافی ارائه شود و جلوگیری از یخ زدن.
کنترل دما: از ترمومترهای نوع K برای نظارت در زمان واقعی بر عملکرد کابل استفاده کنید. با الگوریتم‌های PID (نسبت-انتگرال-مشتق) توان خروجی را به صورت خودکار تنظیم کنید تا دمای آن در محدوده مورد نیاز حفظ شود. فرمول PID در معادله (۲) نشان داده شده است.
چیدمان دستگاه تهویه
در مناطق کوهستانی، دماهای بسیار کم زمستانی می‌توانند تجهیزات زیرستانسیون (مانند ترانسفورماتورها، دستگاه‌های سوئیچ) و پایداری کلی را تحت تأثیر قرار دهند. بنابراین، ۴ موتور بادکنکی محوری (۱.۵ کیلووات، (2000 m3/h) به صورت متقارن روی دیوارهای جانبی نصب می‌شوند تا جریان هوا یکنواخت و جلوگیری از تعرق اطمینان داده شود.
برای زیرستانسیون‌های کابین پیش‌ساخته، یک طراحی تهویه "ورودی از بالا، خروجی از پایین" استفاده می‌شود. نسبت مساحت ورودی به خروجی 1:1.5 است تا تغییرات هوا کافی تضمین شود. لوله‌های عایق (سنگ‌پشم ۵۰ میلی‌متری، 0.035 W/(m·K) رسانایی گرما) با پوشش آلومینیوم ۰.۵ میلی‌متری کاهش گرمای داده و حفظ دمای داخلی پایدار را تأمین می‌کنند.
تامین دو منبع برق
برای انطباق با اقلیم کوهستانی، دو ترانسفورماتور S13-M-100/10 نیمه‌غوطه‌ور (۱۰۰ MVA، ۱۰/۰.۴ kV) به عنوان ترانسفورماتورهای اصلی استفاده می‌شوند. آنها به منابع برق مستقل متصل شده و به صورت موازی (نرخ بار ۵۰٪ در شرایط استاندارد) عمل می‌کنند تا زیان‌ها را کاهش دهند و عمر مفید را افزایش دهند. سیستم SCADA نظارت و تعادل بار را در زمان واقعی انجام می‌دهد.
در مواقع اضطراری (مانند خرابی یک ترانسفورماتور)، سوئیچ ATS تحویل بار را در ۰.۱ ثانیه کامل می‌کند تا تحویل بار بی‌وقفه و تامین برق پایدار تضمین شود. بر اساس GB 50052-2009، دو راکتور DKSC-100/10 (۱۰۰ A، واکنش ۶٪) جریان کوتاه را به ≤ ۲۰ kA محدود می‌کنند تا از خسارت بیش از حد جلوگیری شود.
نتیجه‌گیری
شرایط شدید مناطق کوهستانی (دمای پایین، باد، برف) استانداردهای بالاتری را برای عملکرد و نگهداری زیرستانسیون‌های کابین پیش‌ساخته می‌طلبد. طراحی و ساخت باید شامل عایق‌های مناسب، گرمایش، تدابیر مقاومت به رطوبت و تجهیزات مقاوم به باد و برف باشد.
پیشرفت‌های آینده در فناوری و عملیات این زیرستانسیون‌ها را بیشتر بهینه خواهد کرد. سیستم‌های نظارت و پیش‌رسانی هوشمند مدیریت دوردست و انطباق با اقلیم‌های شدید را افزایش خواهد داد تا تامین برق پایدار و ایمن تضمین شود.
