Analyse opérationnelle des sous-stations à enceinte préfabriquée dans les applications climatiques extrêmement froides
Dans la diversité climatique mondiale, la construction de réseaux électriques en zone alpine fait face à des défis techniques et environnementaux. Les climats extrêmes, la géologie complexe et les basses températures hivernales prolongées, ainsi que la glace, la neige et les tempêtes, mettent à l'épreuve la stabilité des équipements électriques et la construction des installations (délais, coûts, maintenance). Les postes de transformation traditionnels sur site, avec leur longue durée de construction et leur faible adaptabilité, ne peuvent pas répondre aux besoins rapides et stables en électricité des régions alpines.
Les postes de transformation préfabriqués en cabine, conçus comme des ensembles modulaires fabriqués en usine intégrant les équipements essentiels (disjoncteurs haute tension, transformateurs, systèmes de contrôle), permettent un montage rapide sur site après le transport. Ils réduisent la dépendance à l'environnement, montrant une valeur unique dans les zones alpines difficiles et aux délais serrés. Cette recherche vise à favoriser la modernisation des systèmes électriques alpins et le développement de l'énergie dans des environnements similaires à l'échelle mondiale.
Vue d'ensemble du projet
Le projet est situé dans une région alpine du sud-ouest de la Chine : température moyenne annuelle de - 8°C, - 30°C en hiver, plus de 5 mois de gel et de neige, avec un gel du sol de plus d'1m. À 3600m d'altitude, il couvre 6000m2(1200m2) de surface construite, avec un investissement total de ¥55 millions (¥33 millions pour les équipements, ¥22 millions pour la construction).
Il comprend 2×120MVA de transformateurs principaux (pour répondre aux charges élevées en hiver), 8×10kV de panneaux de distribution (pour la distribution d'énergie) et 3km de câbles à faible fumée et anti-gel (adaptés au froid). Avec un cycle de conception-construction de 8 mois, il vise à assurer une alimentation stable et fiable dans des conditions extrêmes.
Pose de la couche de sol anti-gel
Le froid alpin et les cycles de gel-dégel risquent de geler le sol, mettant en danger les fondations du poste de transformation et les cabines. Pour y remédier, on utilise du GCL (conductivité thermique < 0.5W(m·K), bonne isolation). La couche de 0,8 m d'épaisseur empêche le soulèvement par le gel.
Pour les froids extrêmes : tout d'abord, un excavateur CAT 336E retire le sol superficiel gelé ou pollué. Ensuite, du gravier de 5–20mm le remplace (300mm d'épaisseur) pour augmenter la capacité portante et le drainage. Suit une double couche de GCL de 400mm d'épaisseur (≥200mm de recouvrement, vérifiée pour les espaces). Une couche protectrice de 100mm d'épaisseur, en gravier de 5–15mm, la surmonte pour protéger le GCL pendant son utilisation. Pendant la construction, la couche est roulée en sections de 200mm d'épaisseur, avec ≥6 passages. Les normes de qualité sont indiquées dans le Tableau 1
Points clés de la construction de la couche de sol anti-gel
Lors de la construction de la couche de sol anti-gel pour les postes de transformation en cabine préfabriqués en zone alpine, les aspects suivants doivent être strictement contrôlés :
Conception d'isolation thermique de la structure de la cabine
Sous le climat de grand froid en zone alpine, la température à l'intérieur de la cabine peut descendre en dessous de -30°C, posant un défi sérieux au fonctionnement stable des équipements du poste de transformation. Il est donc nécessaire d'avoir une conception d'isolation thermique systématique pour maintenir un environnement interne stable de la cabine :
Points clés de la construction de la couche de sol anti-gel
Lors de la construction de la couche de sol anti-gel pour les postes de transformation en cabine préfabriqués en zone alpine, les aspects suivants doivent être strictement contrôlés :
Conception d'isolation thermique de la structure de la cabine
Sous le climat de grand froid en zone alpine, la température à l'intérieur de la cabine peut descendre en dessous de -30°C, posant un défi sérieux au fonctionnement stable des équipements du poste de transformation. Il est donc nécessaire d'avoir une conception d'isolation thermique systématique pour maintenir un environnement interne stable de la cabine :
(1) Sélection et structure des matériaux isolants thermiques
(2) Optimisation du processus d'installation
La technologie de suspension sèche sans purlin est adoptée pour connecter le panneau de façade extérieur FC, le panneau de laine de roche et le montant carré en acier. Des supports spéciaux et des fixations sont utilisés pour combiner étroitement la couche d'isolation thermique avec le cadre structurel. Cette mesure réalise la continuité sans couture de la couche d'isolation thermique, évite l'effet de pont thermique (perte de chaleur via des parties conductrices de chaleur telles que le cadre métallique) et améliore l'efficacité globale de l'isolation thermique.
(3) Traitement des détails de jointoiement
Pour la jonction en queue d'aronde du panneau sandwich en laine de roche, on utilise de la mousse de polyuréthane de densité ≥30kg/m³ pour le remplissage et le jointoiement. Avec ses caractéristiques de plasticité, d'étanchéité, de haute résistance et de non-absorption d'eau, ce matériau forme un environnement de jointoiement hautement efficace aux deux extrémités du panneau sandwich (avec une conductivité thermique de ≤0.024W/(m·K)), réduisant considérablement la perte de chaleur aux joints, assurant la performance d'isolation thermique de la cabine dans l'environnement alpin et posant une base solide pour le fonctionnement fiable du poste de transformation en cabine préfabriqué dans les climats extrêmes.
Installation des câbles chauffants
Lorsqu'un courant électrique passe à travers le câble chauffant, sa résistance électrique se convertit en chaleur, réchauffant ainsi l'environnement environnant. Pour les postes de transformation en cabine préfabriqués en zone alpine, des câbles chauffants d'une puissance de 20–30W/m sont sélectionnés. Ce niveau de puissance assure une production de chaleur suffisante pour maintenir la température intérieure dans une plage de fonctionnement sûre pour les équipements électriques.
Avant l'installation, une évaluation thermique détaillée est réalisée en utilisant la loi de Fourier de la conduction thermique pour calculer les besoins en chauffage des composants et conduites critiques. La formule mathématique est la suivante :
Dans les calculs de conduction thermique :
Pour l'installation des câbles chauffants :
Fixation : Utiliser des serre-fils de haute résistance (par exemple, des clips en acier inoxydable, des bandes plastiques) pour fixer les câbles aux surfaces des équipements/conduites, avec un espacement de serre-fil ≤ 30 cm pour éviter le déplacement et assurer un transfert de chaleur stable.
Densité de disposition : Disposer les câbles à intervalles de 10 cm dans les tranchées et sur les équipements critiques pour fournir une chaleur suffisante et prévenir la formation de glace.
Contrôle de la température : Utiliser des thermocouples de type K pour surveiller en temps réel le fonctionnement des câbles. Associer cela à des algorithmes PID (proportionnel-intégral-dérivé) pour ajuster automatiquement la puissance de sortie, maintenant la température dans les plages requises. La formule PID est présentée dans l'Équation (2).
Disposition des dispositifs de ventilation
En zone alpine, les températures hivernales extrêmement basses peuvent affecter les équipements du poste de transformation (par exemple, les transformateurs, les appareils de coupure) et la stabilité générale. Ainsi, 4 ventilateurs axiaux (1,5 kW, (2000 m3/h) sont installés symétriquement sur les murs latéraux pour assurer un flux d'air uniforme et prévenir la condensation.
Pour les postes de transformation en cabine préfabriqués, une conception de ventilation "entrée en haut, sortie en bas" est utilisée. Le rapport de surface des entrées et des sorties est 1:1.5 pour assurer un renouvellement d'air suffisant. Des gaines isolées (50 mm de laine de roche, 0.035 W/(m·K) de conductivité thermique) enveloppées de 0,5 mm d'aluminium réduisent la perte de chaleur et maintiennent des températures intérieures stables.
Alimentation électrique double
Pour s'adapter aux climats alpins, deux transformateurs à bain d'huile S13 - M - 100/10 (100 MVA, 10/0,4 kV) sont utilisés comme transformateurs principaux. Connectés à des sources d'alimentation indépendantes, ils fonctionnent en parallèle (taux de charge de 50% dans des conditions standard) pour réduire les pertes et prolonger la durée de vie. Le système SCADA surveille et équilibre les charges en temps réel.
En cas d'urgence (par exemple, si un transformateur tombe en panne), l'interrupteur ATS effectue le transfert de puissance en 0,1 s, assurant une reprise de charge sans interruption et une alimentation électrique stable. Conformément à la norme GB 50052 - 2009, deux réacteurs DKSC - 100/10 (100 A, 6% de réactance) limitent le courant de court-circuit à ≤ 20 kA, prévenant les dommages dus aux surtensions.
Conclusion
Les conditions extrêmes des régions alpines (basses températures, vent, neige) exigent des normes plus élevées pour le fonctionnement et la maintenance des postes de transformation en cabine préfabriqués. La conception et la construction doivent inclure une isolation, un chauffage, des mesures d'étanchéité à l'humidité et des équipements résistants au vent et à la neige appropriés.
Les progrès futurs en matière de technologie et de pratique optimiseront davantage ces postes de transformation. Les systèmes de surveillance et de dispatching intelligents amélioreront la gestion à distance et l'adaptabilité aux climats extrêmes, assurant une alimentation électrique stable et sûre.
