Análise operativa de subestacións con envolvente prefabricada en aplicacións de clima extremadamente frío
Baixo a diversidade climática global, a construción de enerxía eléctrica en zonas alpinas enfrontase desafíos técnicos e ambientais. Climas extremos, xeoloxía complexa e temperaturas inverniais baixas a longo prazo, xunto con xeo, neve e tormentas, ponen á proba a estabilidade do equipo eléctrico e a construción de instalacións de enerxía (cronograma, custo, mantemento). As subestacións tradicionais no terreo, coa súa lonxana construción e pobre adaptabilidade, non poden satisfacer as necesidades rápidas e estables de enerxía das rexións alpinas.
As subestacións de cabina prefabricadas, como configuracións modulares prefabricadas en fábrica que integran o equipo central (interruptores de alta tensión, transformadores, sistemas de control), permiten unha rápida montaxe no terreo despois do transporte. Reducen a dependencia ambiental, mostrando un valor único en áreas alpinas duras e co tempo apertado. Esta investigación ten como obxectivo impulsar as actualizacións dos sistemas de enerxía alpina e o desenvolvemento de enerxía global en entornos similares.
Visión xeral do proxecto
O proxecto está situado nunha rexión alpina do suroeste de China: temperatura media anual de - 8°C, mínimos inverniais de - 30°C, máis de 5 meses de xeo e neve, e un conxelamento do solo superior a 1m. A 3600m de altitud, cubre 6000m2(1200m2) de área construída, cun investimento total de ¥55 millóns (¥33 millóns para equipo, ¥22 millóns para construción).
Dispón de 2×120MVA de transformadores principais (para satisfacer a carga alta no inverno), 8×10kV de armarios de distribución (para a distribución de enerxía), e 3km de cables de baixa emisión de humo e resistente ao conxelamento (aptos para o frío). Con un ciclo de deseño-construción de 8 meses, pretende asegurar un suministro de enerxía estable e fiable baixo condicións extremas.
Colocación da capa de solo anticonxelante
O frío alpino e os ciclos de conxelamento-desconxelamento representan un risco de conxelamento do solo, pondo en perigo as fundacións da subestación e as cabinas. Para abordar isto, úsase GCL (conductividade térmica < 0.5W(m·K), boa aislación). A capa de 0,8m de espesor prevén a hevea de conxelamento.
Para o frío extremo: primeiro, un excavador CAT 336E remove o solo conxelado/contaminado. Despois, substitúese por grava de 5–20mm (300mm de espesor) para aumentar a capacidade portante e o drenaxe. Sigue unha capa dupla de GCL de 400mm de espesor (≥200mm de solape, comprobada por brechas). Unha capa protexida de grava de 100mm de espesor, 5–15mm, remata para protexer o GCL durante o uso. Durante a construción, a capa se enrolla en seccións de 200mm de espesor, con ≥6 pasadas. Os estándares de calidade están na Táboa 1
Puntos clave da construción da capa de solo anticonxelante
Durante a construción da capa de solo anticonxelante para subestacións de cabina prefabricadas en rexións alpinas, é necesario controlar estritamente os seguintes aspectos clave:
Deseño de aislamento térmico da estrutura da cabina
Baixo o clima severamente frío en rexións alpinas, a temperatura interior da cabina pode descender a menos de -30°C, supoñendo un desafío serio para a operación estable do equipo na subestación. Polo tanto, é necesario un deseño sistemático de aislamento térmico para manter un ambiente interno estable da cabina:
Puntos clave da construción da capa de solo anticonxelante
Durante a construción da capa de solo anticonxelante para subestacións de cabina prefabricadas en rexións alpinas, é necesario controlar estritamente os seguintes aspectos clave:
Deseño de aislamento térmico da estrutura da cabina
Baixo o clima severamente frío en rexións alpinas, a temperatura interior da cabina pode descender a menos de -30°C, supoñendo un desafío serio para a operación estable do equipo na subestación. Polo tanto, é necesario un deseño sistemático de aislamento térmico para manter un ambiente interno estable da cabina:
(1) Selección e estrutura dos materiais de aislamento térmico
(2) Optimización do proceso de instalación
Adóptase a tecnoloxía de suspensión seca sen purline para conectar o panel de parede externo de FC, o panel de lana de roca e o perfil de acero cuadrado. Úsanse corchetes e fixadores especiais para combinar estreitamente a capa de aislamento térmico coa estrutura. Esta medida realiza a continuidade ininterrumpida da capa de aislamento térmico, evita o efecto de ponte térmica (pérdida de calor a través de partes conductoras de calor como o esqueleto metálico) e mellora a eficiencia global de aislamento térmico.
(3) Tratamento de detalles de selado
Para a unión en macho-hembra do panel sándwich de lana de roca, úsase poliuretano expandido con densidade de ≥30kg/m³ para o recheo e selado. Con as súas características de plasticidade, hermeticidade, alta resistencia e non absorción de auga, este material forma un ambiente de selado altamente eficiente nos dous extremos do panel sándwich (con conductividad térmica de ≤0.024W/(m·K)), reducindo enormemente a perda de calor nas articulacións, asegurando o rendemento de aislamento térmico da cabina no entorno alpino e sentando unha base sólida para a operación fiable da subestación de cabina prefabricada en climas extremos.
Instalación de cable de calefacción
Cando unha corrente eléctrica pasa polo cable de calefacción, a súa resistencia eléctrica convértese en calor, aquecendo así o entorno circundante. Para as cabinas de subestación prefabricadas en rexións alpinas, seleccionanse cables de calefacción con potencia de 20–30W/m. Este nivel de potencia asegura unha saída de calor suficiente para manter a temperatura interior dentro dun rango de funcionamento seguro para o equipo eléctrico.
Antes da instalación, realiza-se unha avaliación térmica detallada utilizando a Lei de Fourier de conducción de calor para calcular os requisitos de calefacción para componentes e tuberías críticas. A fórmula matemática é a seguinte:
Nos cálculos de conducción de calor:
Para a instalación do cable de calefacción:
Fixación: Usar ganchos de alta resistencia (por exemplo, clips de acero inoxidable, correas de plástico) para asegurar os cables ás superficies do equipo/tuberías, con un espazamento de ganchos ≤ 30 cm para evitar o desprazamento e asegurar a transferencia de calor estable.
Densidade de disposición: Dispor os cables a intervalos de 10 cm en trinxeres e en equipos críticos para proporcionar calor suficiente e prevenir o conxelamento.
Control de temperatura: Usar termopares de tipo K para monitorizar a operación dos cables en tempo real. Emparellar con algoritmos PID (proporcional-integral-derivativo) para ajustar automaticamente a saída de potencia, mantendo a temperatura dentro dos rangos requeridos. A fórmula PID amósase na ecuación (2).
Disposición de dispositivos de ventilación
En rexións alpinas, as temperaturas inverniais extremadamente baixas poden afectar ao equipo da subestación (por exemplo, transformadores, interruptores) e á estabilidade xeral. Polo tanto, instálanse simetricamente 4 ventiladores axiais (1,5 kW, (2000 m3/h) nas paredes laterais para asegurar un fluxo de aire uniforme e evitar a condensación.
Para as subestacións de cabina prefabricadas, usa-se un deseño de ventilación "entrada superior, salida inferior". A relación de área entre entradas e salidas é 1:1.5 para asegurar cambios de aire suficientes. Ductos aislados (50 mm de lana de roca, 0.035 W/(m·K) de conductividad térmica) con envoltura de aluminio de 0,5 mm reducen a perda de calor e mantén a temperatura interior estable.
Suministro de enerxía dual
Para adaptarse aos climas alpinos, usanse dous transformadores de imersión en óleo S13 - M - 100/10 (100 MVA, 10/0,4 kV) como transformadores principais. Conectados a fuentes de enerxía independentes, operan en paralelo (taxa de carga do 50% baixo condicións estándar) para reducir as perdas e ampliar a vida útil. O sistema SCADA monitoriza e equilibra as cargas en tempo real.
En casos de emergencia (por exemplo, un transformador falla), o conmutador ATS completa a transferencia de enerxía en 0,1 s, asegurando unha toma de carga sinxela e un suministro de enerxía estable. Segundo GB 50052 - 2009, dous reactores DKSC - 100/10 (100 A, 6% de reactancia) limitan a corrente de cortocircuito a ≤ 20 kA, previnindo danos por sobretensión.
Conclusión
As condicións extremas das rexións alpinas (baixas temperaturas, vento, neve) requiren estándares máis altos para a operación e mantemento das subestacións de cabina prefabricadas. O deseño e a construción deben incluír aislamentos adecuados, calefacción, medidas contra a humidade e equipos resistentes ao vento e a neve.
Os avances futuros na tecnoloxía e na práctica optimizarán aínda máis estas subestacións. Os sistemas de monitorización e despacho inteligentes mellorarán a xestión remota e a adaptabilidade a climas extremos, asegurando un suministro de enerxía estable e seguro.
