تحلیل عملکرد زیرستایش‌های پیش ساخته در کاربردهای آب و هوای بسیار سرد
در شرایط متنوع اقلیمی جهانی، ساخت و ساز برق در مناطق کوهستانی با چالش‌های فنی و محیط زیستی مواجه است. اقلیم‌های شدید، زمین‌شناسی پیچیده و دمای کم طولانی مدت زمستان، همراه با یخ، برف و طوفان‌ها، پایداری تجهیزات برق و ساخت و ساز تأسیسات برق (برنامه، هزینه، نگهداری) را تحت فشار قرار می‌دهند. زیرمجموعه‌های محلی سنتی با ساخت و ساز طولانی و انطباق ضعیف، نمی‌توانند نیازهای سریع و پایدار مناطق کوهستانی را برآورده کنند.
زیرمجموعه‌های کابین پیش ساخته به عنوان تنظیمات مدولار و پیش ساخته کارخانه‌ای که تجهیزات اصلی (سوئیچ‌های فشار بالا، ترانسفورماتورها، سیستم‌های کنترل) را یکپارچه می‌کنند، امکان مونتاژ سریع در محل را بعد 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. این تحقیق به منظور ارتقاء سیستم‌های برق کوهستانی و توسعه برق در محیط‌های مشابه در سراسر جهان انجام شده است.
مرور کلی پروژه
این پروژه در یک منطقه کوهستانی جنوب غربی چین قرار دارد: - 8°C میانگین دمای سالانه، - 30°C کمترین دمای زمستان، ۵+ ماه برف و یخ، بیش از ۱ متر یخ زدن خاک. در ارتفاع ۳۶۰۰ متر، شامل ۶۰۰۰m2(1200m2) مساحت ساخته شده)، با سرمایه‌گذاری کلی ¥55 میلیون (¥33 میلیون برای تجهیزات، ¥22 میلیون برای ساخت و ساز).
این پروژه شامل ۲×۱۲۰MVA ترانسفورماتور اصلی (با توجه به بار زمستانی بالا)، ۸×۱۰kV کابین‌های توزیع (برای توزیع برق) و ۳ کیلومتر کابل ضد دود و یخ زدگی (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.
پوشش لایه خاک مقاوم در برابر یخ زدگی
سرما کوهستانی و چرخه‌های یخ زدگی و ذوب خطر یخ زدن خاک را افزایش می‌دهند که می‌تواند بنیاد زیرمجموعه و کابین‌ها را به خطر بیاندازد. برای حل این مشکل، GCL (رسانایی حرارتی < 0.5W(m·K)، عایق خوب) استفاده می‌شود. لایه ۰/۸ متری جلوگیری از یخ زدن خاک را امکان‌پذیر می‌کند.
برای سرما شدید: ابتدا یک ماشین حفاری CAT 336E خاک یخ زده و آلوده روی سطح را حفاری می‌کند. سپس، سنگدانه ۵-۲۰ میلی‌متر (۳۰۰ میلی‌متر ضخامت) جایگزین آن می‌شود تا ظرفیت تحمل و دренاژ را افزایش دهد. یک لایه GCL دوگانه ۴۰۰ میلی‌متری (با حداقل ۲۰۰ میلی‌متر تداخل، برای گپ‌های کنترل) پشت سر آن قرار می‌گیرد. یک لایه محافظ ۱۰۰ میلی‌متری از سنگدانه ۵-۱۵ میلی‌متر برای محافظت از GCL در طول استفاده اضافه می‌شود. در طول ساخت و ساز، لایه به بخش‌های ۲۰۰ میلی‌متری رول می‌شود، با حداقل ۶ دور. استانداردهای کیفیت در جدول ۱ آمده است.
نقاط کلیدی ساخت لایه خاک مقاوم در برابر یخ زدگی
در طول ساخت لایه خاک مقاوم در برابر یخ زدگی برای زیرمجموعه‌های کابین پیش ساخته 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 زیرمجموعه ایجاد می‌کند. بنابراین، نیاز به طراحی عایق حرارتی سیستماتیک برای حفظ محیط داخلی پایدار کابین است:
نقاط کلیدی ساخت لایه خاک مقاوم در برابر یخ زدگی
در طول ساخت لایه خاک مقاوم در برابر یخ زدگی برای زیرمجموعه‌های کابین پیش ساخته 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 زیرمجموعه 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 پرتوی خشک برای اتصال پانل دیوار خارجی FC، پانل سنگ‌پشم و سقف فولادی مربعی استفاده می‌شود. از معلقات و قطعات چسبانی خاص برای ترکیب محکم لایه عایق حرارتی با چارچوب ساختاری استفاده می‌شود. این تدابیر پیوستگی بی‌پایان لایه عایق حرارتی را محقق می‌کند، اثر پل حرارتی (گمشدگی گرما از طریق بخش‌های رسانای گرما مانند چارچوب فلزی) را اجتناب می‌کند و کارایی کلی عایق حرارتی را بهبود می‌بخشد.
(۳) رسیدگی به جزئیات بسته‌بندی
برای جوش‌های پانل ساندویچ سنگ‌پشم، از پلی‌اورتان فومی با چگالی ≥۳۰kg/m³ برای پر کردن و بسته‌بندی استفاده می‌شود. با ویژگی‌های پلاستیسیته، هوایی بودن، قدرت بالا و عدم جذب آب، این ماده یک محیط بسته‌بندی کارآمد را در دو انتها از پانل ساندویچ (با رسانایی حرارتی ≤۰.۰۲۴W/(m·K)) ایجاد می‌کند، که به طور قابل توجهی گمشدگی گرما در اتصالات را کاهش می‌دهد، عملکرد عایق حرارتی کابین را در محیط کوهستانی تضمین می‌کند و پایه‌ای محکم برای عملکرد قابل اعتماد زیرمجموعه کابین پیش ساخته در اقلیم‌های شدید فراهم می‌کند.
نصب کابل گرمکن
وقتی جریان الکتریکی از کابل گرمکن می‌گذرد، مقاومت الکتریکی آن به گرما تبدیل می‌شود، بنابراین محیط اطراف را گرم می‌کند. برای زیرمجموعه‌های کابین پیش ساخته در مناطق کوهستانی، کابل‌های گرمکن با توان ۲۰-۳۰W/m انتخاب می‌شوند. این توان اطمینان حاصل می‌کند که خروجی گرما کافی برای حفظ دمای داخلی در محدوده عملکرد ایمن تجهیزات الکتریکی باشد.
قبل از نصب، یک ارزیابی گرمایی دقیق با استفاده از قانون گرما انتقال فوریه انجام می‌شود تا نیازهای گرمایی برای اجزای مهم و خطوط لوله محاسبه شود. فرمول ریاضی به شرح زیر است:
در محاسبات انتقال گرما:
برای نصب کابل گرمکن:
ثبت: استفاده از کلیپ‌های مقاوم (مانند کلیپ‌های فولاد ضد زنگ، ریسمان‌های پلاستیکی) برای ثبت کابل‌ها به سطوح تجهیزات/خط‌های لوله، با فاصله کلیپ ≤ ۳۰ سانتی‌متر برای جلوگیری از جابجایی و تضمین انتقال گرما به صورت پایدار.
چگالی توزیع: ترتیب کابل‌ها با فاصله ۱۰ سانتی‌متر در چناره‌ها و روی تجهیزات مهم برای فراهم کردن گرما کافی و جلوگیری از یخ زدن.
کنترل دما: استفاده از ترموجفت‌های نوع K برای مانیتورینگ عملکرد کابل در زمان واقعی. ترکیب با الگوریتم‌های PID (تناسب-انتگرال-مشتق) برای تنظیم خودکار خروجی توان، حفظ دما در محدوده مورد نیاز. فرمول PID در معادله (۲) نشان داده شده است.
طرح دستگاه تهویه
در مناطق کوهستانی، دمای بسیار کم زمستان می‌تواند عملکرد تجهیزات زیرمجموعه (مانند ترانسفورماتورها، دستگاه‌های سوئیچ) و پایداری کلی را تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین، ۴ موتور محرک محوری (۱.۵ kW، (2000 m3/h) به صورت متقارن در دیوارهای جانبی نصب می‌شوند تا جریان هوا یکنواخت و جلوگیری از تعرق را تضمین کنند.
برای زیرمجموعه‌های کابین پیش ساخته، یک طراحی تهویه "ورودی بالا، خروجی پایین" استفاده می‌شود. نسبت مساحت ورودی به خروجی ۱:۱.۵ است تا تغییرات هوا کافی تضمین شود. لوله‌های عایق‌دار (سنگ‌پشم ۵۰ میلی‌متر، رسانایی حرارتی ۰.۰۳۵ W/(m·K) با پوشش آلومینیوم ۰.۵ میلی‌متری) گمشدگی گرما را کاهش می‌دهند و دمای داخلی را پایدار نگه می‌دارند.
تامین دو منبع برق
برای انطباق با اقلیم‌های کوهستانی، دو ترانسفورماتور S13-M-100/10 غوطه‌ور در روغن (۱۰۰ MVA، ۱۰/۰.۴ kV) به عنوان ترانسفورماتورهای اصلی استفاده می‌شوند. آنها به منابع برق مستقل متصل می‌شوند و به صورت موازی (نرخ بار ۵۰٪ در شرایط استاندارد) عمل می‌کنند تا گمشدگی‌ها را کاهش دهند و عمر مفید را افزایش دهند. سیستم SCADA بار را در زمان واقعی مانیتور می‌کند و تعادل می‌دهد.
در مواقع اضطراری (مانند خرابی یک ترانسفورماتور)، سوئیچ ATS تحویل بار را در ۰.۱ ثانیه انجام می‌دهد و تأمین برق پایدار را تضمین می‌کند. طبق GB 50052-2009، دو راکتور DKSC-100/10 (۱۰۰ A، ۶٪ واکنش) جریان کوتاه‌مداری را به ≤ ۲۰ kA محدود می‌کنند تا آسیب‌های افزایش ولتاژ جلوگیری شود.
نتیجه‌گیری
شرایط شدید مناطق کوهستانی (دمای پایین، باد، برف) نیاز به استانداردهای بالاتر برای عملکرد و نگهداری زیرمجموعه‌های کابین پیش ساخته را می‌طلبد. طراحی و ساخت باید شامل عایق حرارتی مناسب، گرمکن، اقدامات مقاوم در برابر رطوبت و تجهیزات مقاوم در برابر باد و برف باشد.
پیشرفت‌های آینده در فناوری و عملیات این زیرمجموعه‌ها را بیشتر بهینه خواهد کرد. سیستم‌های نظارت و تخصیص هوشمند مدیریت دوردست و انطباق با اقلیم‌های شدید را افزایش خواهند داد و تأمین برق پایدار و ایمن را تضمین خواهند کرد.
