Analisi operativa di sottostazioni con involucro prefabbricato in applicazioni a clima estremamente freddo
In un contesto di diversità climatica globale, la costruzione di impianti elettrici in alta montagna affronta sfide tecniche e ambientali. Climi estremi, geologia complessa e temperature invernali basse a lungo termine, insieme a ghiaccio, neve e tempeste, mettono a dura prova la stabilità delle attrezzature elettriche e la costruzione delle infrastrutture energetiche (tempistiche, costi, manutenzione). Le tradizionali sottostazioni sul sito, con lunghi tempi di costruzione e scarsa adattabilità, non riescono a soddisfare le esigenze rapide e stabili di energia nelle regioni alpine.
Le sottostazioni prefabbricate in cabinato, come soluzioni modulari e prefabbricate in fabbrica che integrano l'equipaggiamento principale (interruttori ad alta tensione, trasformatori, sistemi di controllo), permettono un rapido assemblaggio sul sito dopo il trasporto. Riducono la dipendenza dall'ambiente, dimostrando un valore unico in aree alpine aspre e con tempi ristretti. Questa ricerca mira a promuovere l'aggiornamento dei sistemi elettrici alpini e lo sviluppo di energia in ambienti simili a livello globale.
Panoramica del Progetto
Il progetto si trova in una regione alpina del sud-ovest della Cina: temperatura media annua di - 8°C, minimi invernali di - 30°C, 5+ mesi di ghiaccio e neve, congelamento del suolo superiore a 1m. A 3600m di altitudine, copre un'area costruita di 6000m2(1200m2), con un investimento totale di ¥55 milioni (¥33 milioni per l'equipaggiamento, ¥22 milioni per la costruzione).
Dispone di 2×120MVA trasformatori principali (per soddisfare l'alta carica invernale), 8×10kV armadi di distribuzione (per la distribuzione dell'energia) e 3km di cavi a basso fumo e anti-congelamento (adatti al freddo). Con un ciclo di progettazione-costruzione di 8 mesi, mira a garantire energia stabile e affidabile in condizioni estreme.
Deposizione del Strato Antighiacciatura
Il freddo alpino e i cicli di congelamento-scongelamento rischiano di far congelare il terreno, mettendo a repentaglio le fondamenta delle sottostazioni e dei cabinati. Per risolvere questo problema, viene utilizzato il GCL (conduttività termica < 0.5W(m·K), buona isolazione). Lo strato spesso 0.8m impedisce il sollevamento da gelo.
Per il freddo estremo: prima, un escavatore CAT 336E rimuove il terreno superficiale congelato o contaminato. Poi, viene sostituito con ghiaia da 5-20mm (spessa 300mm) per aumentare la portata e il drenaggio. Segue uno strato doppio di GCL spesso 400mm (sovrapposizione ≥200mm, controllato per interruzioni). Un strato protettivo di ghiaia da 5-15mm spesso 100mm lo completa per proteggere il GCL durante l'uso. Durante la costruzione, lo strato viene compresso in sezioni spesse 200mm, con ≥6 passaggi. Gli standard di qualità sono riportati nella Tabella 1
Punti Chiave della Costruzione dello Strato Antighiacciatura
Durante la costruzione dello strato antighiacciatura per le sottostazioni prefabbricate in cabinato in regioni alpine, gli aspetti chiave seguenti devono essere rigorosamente controllati:
Progettazione Isolante della Struttura del Cabinato
Nel clima severamente freddo delle regioni alpine, la temperatura all'interno del cabinato può scendere sotto -30°C, ponendo una sfida severa alla stabile operatività dell'equipaggiamento nella sottostazione. Pertanto, è richiesta una progettazione isolante sistematica per mantenere un ambiente interno stabile del cabinato:
Punti Chiave della Costruzione dello Strato Antighiacciatura
Durante la costruzione dello strato antighiacciatura per le sottostazioni prefabbricate in cabinato in regioni alpine, gli aspetti chiave seguenti devono essere rigorosamente controllati:
Progettazione Isolante della Struttura del Cabinato
Nel clima severamente freddo delle regioni alpine, la temperatura all'interno del cabinato può scendere sotto -30°C, ponendo una sfida severa alla stabile operatività dell'equipaggiamento nella sottostazione. Pertanto, è richiesta una progettazione isolante sistematica per mantenere un ambiente interno stabile del cabinato:
(1) Selezione e Struttura dei Materiali Isolanti
(2) Ottimizzazione del Processo di Installazione
Viene adottata la tecnologia di appeso secco senza travetti per collegare il pannello esterno FC, il pannello di lana di roccia e la trave quadrata d'acciaio. Vengono utilizzati appositi supporti e fissaggi per combinare strettamente lo strato isolante con la struttura. Questa misura realizza la continuità senza soluzione di continuità dello strato isolante, evita l'effetto ponte termico (perdita di calore attraverso parti conduttrici del calore come la struttura metallica) e migliora l'efficienza isolante complessiva.
(3) Trattamento Dettagliato di Sigillatura
Per la lingua e scanalatura del pannello sandwich di lana di roccia, viene utilizzato poliuretano espanso con densità ≥30kg/m³ per il riempimento e la sigillatura. Con le sue caratteristiche di plasticità, airtightness, elevata resistenza e non assorbimento d'acqua, questo materiale forma un ambiente di sigillatura altamente efficiente alle estremità del pannello sandwich (con una conduttività termica di ≤0.024W/(m·K)), riducendo notevolmente la perdita di calore alle giunzioni, assicurando le prestazioni isolanti del cabinato nell'ambiente alpino e ponendo una solida base per l'affidabile funzionamento della sottostazione prefabbricata in cabinato in climi estremi.
Installazione del Cavo Riscaldante
Quando una corrente elettrica passa attraverso il cavo riscaldante, la sua resistenza elettrica si converte in calore, riscaldando così l'ambiente circostante. Per i cabinati prefabbricati delle sottostazioni in regioni alpine, vengono selezionati cavi riscaldanti con una potenza di 20-30W/m. Questo livello di potenza garantisce una produzione di calore sufficiente per mantenere la temperatura interna entro un intervallo sicuro per l'operatività dell'equipaggiamento elettrico.
Prima dell'installazione, viene effettuata una valutazione termica dettagliata utilizzando la Legge di Fourier della Conduzione del Calore per calcolare i requisiti di riscaldamento per componenti e tubazioni critici. La formula matematica è la seguente:
Nei calcoli di conduzione del calore:
Per l'installazione del cavo riscaldante:
Fissaggio: Utilizzare staffe ad alta resistenza (ad esempio, clip in acciaio inossidabile, nastri di plastica) per fissare i cavi alle superfici dell'equipaggiamento/tubazioni, con una distanza tra le staffe ≤ 30 cm per prevenire lo spostamento e garantire un trasferimento di calore stabile.
Densità di Disposizione: Disporre i cavi a intervalli di 10 cm in fosse e su equipaggiamenti critici per fornire calore sufficiente e prevenire il ghiacciamento.
Controllo della Temperatura: Utilizzare termocoppie di tipo K per monitorare in tempo reale l'operazione dei cavi. Abbinare con algoritmi PID (proporzionale-integrale-derivativo) per regolare automaticamente l'output di potenza, mantenendo la temperatura all'interno degli intervalli richiesti. La formula PID è mostrata nell'Equazione (2).
Disposizione del Dispositivo di Ventilazione
In regioni alpine, le temperature invernali estremamente basse possono influire sull'equipaggiamento della sottostazione (ad esempio, trasformatori, apparati di commutazione) e sulla stabilità complessiva. Pertanto, vengono installate simmetricamente 4 ventole assiali (1.5 kW, (2000 m3/h) sui muri laterali per garantire un flusso d'aria uniforme e prevenire la condensa.
Per le sottostazioni prefabbricate in cabinato, viene utilizzato un design di ventilazione "ingresso superiore, scarico inferiore". Il rapporto di area tra ingresso e scarico è 1:1.5 per garantire cambiamenti d'aria sufficienti. Dotti isolati (lana di roccia spessa 50 mm, conduttività termica 0.035 W/(m·K) con rivestimento in alluminio spesso 0.5 mm riducono la dispersione di calore e mantengono temperature interne stabili.
Alimentazione Elettrica Doppia
Per adattarsi ai climi alpini, vengono utilizzati due trasformatori a immersione in olio S13-M-100/10 (100 MVA, 10/0.4 kV) come trasformatori principali. Collegati a fonti di alimentazione indipendenti, operano in parallelo (tasso di carico del 50% in condizioni standard) per ridurre le perdite e prolungare la vita utile. Il sistema SCADA monitora e bilancia i carichi in tempo reale.
In caso di emergenze (ad esempio, un trasformatore guasta), l'interruttore ATS completa il trasferimento di alimentazione entro 0.1 s, garantendo un cambio di carico senza soluzione di continuità e un approvvigionamento elettrico stabile. Secondo la norma GB 50052-2009, due reattori DKSC-100/10 (100 A, reattività del 6%) limitano la corrente di cortocircuito a ≤ 20 kA, prevenendo danni da sovratensione.
Conclusione
Le condizioni estreme delle regioni alpine (basse temperature, vento, neve) richiedono standard più elevati per l'operatività e la manutenzione delle sottostazioni prefabbricate in cabinato. La progettazione e la costruzione devono includere isolamento adeguato, riscaldamento, misure impermeabili e attrezzature resistenti a vento e neve.
Gli avanzamenti futuri nella tecnologia e nella pratica ottimizzeranno ulteriormente queste sottostazioni. I sistemi di monitoraggio e smistamento intelligenti miglioreranno la gestione remota e l'adattabilità ai climi estremi, garantendo un approvvigionamento elettrico stabile e sicuro.
