Operationele Analyse van Prefabriekte Omsluitingsstations in Toepassingen met Uiterst Koud Klimaat
Onder de globale klimaatdiversiteit staan alpine elektriciteitsconstructies voor technische en milieu-uitdagingen. Extreme klimaten, complexe geologie en langdurige lage winter temperaturen, samen met ijs, sneeuw en stormen, zetten de stabiliteit van elektrische apparatuur en de bouw van energievoorzieningen (tijdschema, kosten, onderhoud) onder druk. Traditionele op locatie gebouwde transformatorstations, met lange bouwtijden en slechte aanpassingsvermogen, kunnen de snelle en stabiele energiebehoeften in berggebieden niet voldoende bevredigen.
Vooraf gefabriceerde containertransformatorstations, als modulaire, in de fabriek vooraf gefabriceerde installaties die kernapparatuur (hoogspanningschakelaars, transformatoren, besturingssystemen) integreren, maken snelle montage ter plaatse na transport mogelijk. Ze verminderen de afhankelijkheid van het milieu en tonen unieke waarde in strenge, tijdsbeperkte alpine gebieden. Dit onderzoek heeft als doel de upgrade van alpine energie-systemen en de ontwikkeling van energie in vergelijkbare milieus wereldwijd te stimuleren.
Projectoverzicht
Het project is gelegen in een alpine regio in het zuidwesten van China: gemiddelde jaarlijkse temperatuur - 8°C, - 30°C in de winter, meer dan 5 maanden van ijs-sneeuw, meer dan 1 meter grondbevriezing. Op een hoogte van 3600m bedraagt de bebouwde oppervlakte 6000m2(1200m2), met een totale investering van ¥55 miljoen (¥33 miljoen voor apparatuur, ¥22 miljoen voor constructie).
Het heeft 2×120MVA hoofdtransformatoren (om de hoge belasting in de winter te voldoen), 8×10kV distributiekasten (voor stroomdistributie) en 3km rookarme, vorstbestendige kabels (geschikt voor kou). Met een ontwerp- en bouwcyclus van 8 maanden heeft het als doel stabiele, betrouwbare energie te verzekeren onder extreme omstandigheden.
Aanleg van vorstbestendige bodemlaag
Alpine kou en bevroren-thaw cycli brengen risico's met zich mee voor bevroren bodem, wat de fundamenten van transformatorstations en containers kan bedreigen. Om dit aan te pakken wordt GCL (thermische geleidbaarheid < 0.5W(m·K), goede isolatie) gebruikt. De 0.8m-dikke laag voorkomt vorstduw.
Voor extreme kou: eerst verwijdert een CAT 336E graafmachine de bevroren/vervuilde bovenste grondlaag. Daarna wordt deze vervangen door 5–20mm grind (300mm dik) om het dragend vermogen en de waterafvoer te verbeteren. Een dubbelgevouwen GCL-laag van 400mm dik (≥200mm overlap, gecontroleerd op gaten) volgt. Een beschermende grindlaag van 100mm dik, 5–15mm, vormt de top om de GCL tijdens gebruik te beschermen. Tijdens de constructie wordt de laag in secties van 200mm dik gerold, met ≥6 passages. Kwaliteitsnormen staan in Tabel 1
Belangrijke punten bij de constructie van de vorstbestendige bodemlaag
Tijdens de constructie van de vorstbestendige bodemlaag voor vooraf gefabriceerde containertransformatorstations in alpine gebieden moeten de volgende belangrijke aspecten strikt worden gecontroleerd:
Thermisch isolatieontwerp van de cabineconstructie
Onder de strenge koude klimaatcondities in alpine gebieden kan de temperatuur binnen de cabine dalen tot onder -30°C, wat een ernstige uitdaging vormt voor de stabiele werking van de apparatuur in het transformatorstation. Daarom is een systematisch thermisch isolatieontwerp nodig om een stabiel interne omgeving van de cabine te handhaven:
Belangrijke punten bij de constructie van de vorstbestendige bodemlaag
Tijdens de constructie van de vorstbestendige bodemlaag voor vooraf gefabriceerde containertransformatorstations in alpine gebieden moeten de volgende belangrijke aspecten strikt worden gecontroleerd:
Thermisch isolatieontwerp van de cabineconstructie
Onder de strenge koude klimaatcondities in alpine gebieden kan de temperatuur binnen de cabine dalen tot onder -30°C, wat een ernstige uitdaging vormt voor de stabiele werking van de apparatuur in het transformatorstation. Daarom is een systematisch thermisch isolatieontwerp nodig om een stabiel interne omgeving van de cabine te handhaven:
(1) Selectie en structuur van thermische isolatiematerialen
(2) Optimalisatie van de installatieprocedure
De purlin-vrije drooghangtechniek wordt toegepast om het FC-buitenwandpaneel, het steenwolpaneel en het vierkante stalen frame met elkaar te verbinden. Speciale hangsystemen en bevestigingen worden gebruikt om de isolatielaag strak met het structuurrek te combineren. Deze maatregel zorgt voor de naadloze continuïteit van de isolatielaag, voorkomt het thermische brug-effect (warmteverlies via warmtegeleidende delen zoals het metalen frame) en verbetert de algemene isolatie-efficiëntie.
(3) Behandeling van sluitdetails
Voor de tong-en-groefverbinding van het steenwol sandwichpaneel wordt gepolymeriseerde schuimurethaan met een dichtheid van ≥30kg/m³ gebruikt voor vulling en afsluiting. Met zijn eigenschappen van plasticiteit, luchtdichtheid, hoge sterkte en niet-absorberend, vormt dit materiaal een zeer efficiënte sluitomgeving aan beide einden van het sandwichpaneel (met een thermische geleidbaarheid van ≤0.024W/(m·K)), waardoor het warmteverlies op de verbindingen aanzienlijk wordt verminderd, de isolatieprestaties van de cabine in het alpine milieu worden gewaarborgd en een solide basis wordt gelegd voor de betrouwbare werking van het vooraf gefabriceerde containertransformatorstation in extreme klimaten.
Installatie van verwarmingskabels
Wanneer een elektrische stroom door de verwarmingskabel loopt, wordt de elektrische weerstand omgezet in warmte, waardoor de omringende omgeving wordt verwarmd. Voor vooraf gefabriceerde transformatorstations in alpine gebieden worden verwarmingskabels met een vermogensverbruik van 20–30W/m geselecteerd. Dit vermogen zorgt ervoor dat er voldoende warmte wordt geproduceerd om de interne temperatuur binnen een veilig werkingsbereik voor elektrische apparatuur te houden.
Vóór de installatie wordt een gedetailleerde thermische evaluatie uitgevoerd met behulp van Fourier's Wet van Warmtegeleiding om de verwarmingseisen voor cruciale componenten en leidingen te berekenen. De wiskundige formule is als volgt:
Bij warmtegeleidingsberekeningen:
Voor de installatie van verwarmingskabels:
Bevestiging: Gebruik hoogwaardige klampen (bijvoorbeeld roestvrijstalen clips, kunststof banden) om de kabels vast te zetten aan de oppervlakken van de apparatuur/leidingen, met een klampafstand ≤ 30 cm om verschuiving te voorkomen en een stabiele warmteoverdracht te waarborgen.
Opstellingsdichtheid: Plaats de kabels op 10 cm afstand in greppels en op cruciale apparatuur om voldoende warmte te leveren en ijsvorming te voorkomen.
Temperatuurcontrole: Gebruik K-type thermocouples om de werking van de kabels in real-time te monitoren. Combineer dit met PID (proportionele-integrale-afgeleide) algoritmen om de stroomuitvoer automatisch aan te passen en de temperatuur binnen de vereiste bereiken te handhaven. De PID-formule staat in vergelijking (2).
Indeling van ventilatieapparatuur
In alpine gebieden kunnen uiterst lage winter temperaturen de apparatuur van transformatorstations (bijvoorbeeld transformatoren, schakelapparatuur) en de algemene stabiliteit beïnvloeden. Daarom worden 4 axiale ventilatoren (1.5 kW, (2000 m3/h) symmetrisch op de zijwanden geïnstalleerd om een uniforme luchtstroom te waarborgen en condensatie te voorkomen.
Voor vooraf gefabriceerde containertransformatorstations wordt een "boveninzuig, onderuitblazen" ventilatieontwerp gebruikt. Het oppervlakverhouding van zuig- en uitlaatspleuizen is 1:1.5 om voldoende luchtveranderingen te garanderen. Geïsoleerde leidingen (50 mm steenwol, 0.035 W/(m·K) thermische geleidbaarheid) met 0.5 mm aluminiumfolie omwikkeld verminderen warmteverlies en handhaven stabiele binnentemperaturen.
Dubbele energievoorziening
Om aan te passen aan alpine klimaten worden twee S13 - M - 100/10 oliegedrenkte transformatoren (100 MVA, 10/0.4 kV) gebruikt als hoofdtransformatoren. Aangesloten op onafhankelijke energiebronnen werken ze parallel (50% belastingsgraad onder standaardomstandigheden) om verliezen te verminderen en de levensduur te verlengen. Het SCADA-systeem monitort en balanceert de belastingen in real-time.
Bij noodgevallen (bijvoorbeeld als één transformatie faalt), voltooit de ATS-schakelaar de energieoverdracht binnen 0,1 seconde, waardoor een naadloze overname van de belasting en een stabiele energievoorziening worden gegarandeerd. Volgens GB 50052 - 2009 beperken twee DKSC - 100/10 reactors (100 A, 6% reactance) de kortsluitstroom tot ≤ 20 kA, waardoor overvoltage schade wordt voorkomen.
Conclusie
De extreme omstandigheden in alpine gebieden (lage temperaturen, wind, sneeuw) stellen hogere normen voor de bedrijfsvoering en onderhoud van vooraf gefabriceerde containertransformatorstations. Ontwerp en constructie moeten geschikte isolatie, verwarming, vochtbestendigheidsmaatregelen en wind-sneeuwbestendige apparatuur omvatten.
Toekomstige vooruitgang in technologie en praktijk zal deze transformatorstations verder optimaliseren. Slimme monitoring- en dispatchingsystemen zullen de afstandsbediening en aanpasbaarheid aan extreme klimaten verbeteren, waardoor een stabiele en veilige energievoorziening wordt gegarandeerd.
