Analiza operacyjna prefabrykowanych stacji transformatorowych w warunkach ekstremalnie zimnego klimatu
W warunkach globalnego zróżnicowania klimatycznego, budowa elektrowni w regionach górskich staje przed technicznymi i środowiskowymi wyzwaniami. Ekstremalne klimaty, złożona geologia, długotrwałe niskie temperatury zimowe, a także lód, śnieg i burze obciążają stabilność sprzętu elektrycznego i budowę obiektów energetycznych (harmonogram, koszty, konserwacja). Tradycyjne podstacje na miejscu, o długim okresie budowy i słabej adaptacji, nie są w stanie sprostać szybkim i stabilnym potrzebom energetycznym regionów górskich.
Podstacje w prefabrykowanych budynkach, jako modułowe, fabrycznie prefabrykowane zestawy, integrujące kluczowe urządzenia (przerzutniki wysokiego napięcia, transformatory, systemy sterujące), umożliwiają szybkie montaż na miejscu po transport. Redukują one zależność od środowiska, pokazując unikalną wartość w surowych, czasowo ograniczonych regionach górskich. Badania te mają na celu wspieranie modernizacji systemów energetycznych w regionach górskich i rozwoju energii w podobnych środowiskach na całym świecie.
Przegląd projektu
Projekt znajduje się w regionie górskim na południowym zachodzie Chin: średnia roczna temperatura wynosi - 8°C, zimą spada do - 30°C, ponad 5 miesięcy z lodem i śniegiem, zamarzanie gruntu na głębokości powyżej 1 m. Na wysokości 3600 m, obejmuje powierzchnię zabudowy 6000m2(1200m2), z całkowitym inwestycją wynoszącą ¥55 milionów (¥33 milionów na sprzęt, ¥22 milionów na budowę).
Ma 2×120MVA główne transformatory (spełniające wysokie obciążenia zimowe), 8×10kV dystrybucyjne szafy (do dystrybucji energii) oraz 3 km kabli o niskim dymie i odporności na zamarzanie (przystosowane do zimna). Z cyklem projektowania-budowy wynoszącym 8 miesięcy, ma na celu zapewnienie stabilnej i niezawodnej dostawy energii w ekstremalnych warunkach.
Układanie warstwy przeciwmrozowej
Zimno i cykle zamrażania-rozmrażania w regionach górskich narażają glebę na zamarzanie, co może zagrozić fundamentom podstacji i budynkom. Aby to rozwiązać, używa się GCL (przewodność cieplna < 0.5W(m·K), dobre izolacyjne właściwości). Warstwa grubości 0.8 m zapobiega pękaniu gleby przez mroz.
Dla ekstremalnego zimna: najpierw koparka CAT 336E usuwa zmarzniętą/zabrudzoną glebę na powierzchni. Następnie, zamiast niej kładzie się żwir o wielkości 5-20 mm (grubość 300 mm), aby zwiększyć nośność i odprowadzenie wody. Następnie kładzie się dwuwarstwowy GCL o grubości 400 mm (nakład ≥200 mm, sprawdzany pod kątem luk). Na szczycie kładzie się ochronna warstwa żwiru o grubości 100 mm i wielkości 5-15 mm, aby chronić GCL podczas użytkowania. Podczas budowy warstwa jest zwijana w sekcjach o grubości 200 mm, z co najmniej 6 przejazdami. Standardy jakości zawarte są w Tabeli 1
Kluczowe aspekty budowy warstwy przeciwmrozowej
Podczas budowy warstwy przeciwmrozowej dla prefabrykowanych podstacji w regionach górskich, następujące kluczowe aspekty wymagają ścisłego kontroli:
Izolacyjny projekt struktury budynku
W surowym klimacie regionów górskich temperatura wewnątrz budynku może spadać poniżej -30°C, co stanowi poważne wyzwanie dla stabilnego działania sprzętu w podstacji. Dlatego wymagany jest systematyczny projekt izolacyjny, aby utrzymać stabilne warunki wewnętrzne budynku:
Kluczowe aspekty budowy warstwy przeciwmrozowej
Podczas budowy warstwy przeciwmrozowej dla prefabrykowanych podstacji w regionach górskich, następujące kluczowe aspekty wymagają ścisłego kontroli:
Izolacyjny projekt struktury budynku
W surowym klimacie regionów górskich temperatura wewnątrz budynku może spadać poniżej -30°C, co stanowi poważne wyzwanie dla stabilnego działania sprzętu w podstacji. Dlatego wymagany jest systematyczny projekt izolacyjny, aby utrzymać stabilne warunki wewnętrzne budynku:
(1) Wybór i struktura materiałów izolacyjnych
(2) Optymalizacja procesu montażu
Zastosowano technologię suchego montażu bez belek, aby połączyć zewnętrzną płytę ścianową FC, panel z kamienia mineralnego i stalowy profil. Użyto specjalnych uchwytów i elementów mocujących, aby ściśle połączyć warstwę izolacyjną ze strukturą ramową. Ta miara realizuje ciągłą kontynuację warstwy izolacyjnej, unika efektu mostka ciepła (utrata ciepła przez części przewodzące ciepło, takie jak metalowa ramka) i poprawia ogólną efektywność izolacji cieplnej.
(3) Szczegóły uszczelniania
Dla zębatych spojeni paneli piaskowiec-fenolowych, stosuje się pianę poliuretanową o gęstości ≥30kg/m³ do wypełniania i uszczelniania. Dzięki swoim właściwościom plastyczności, szczelności, wysokiej wytrzymałości i niewchłaniania wody, ten materiał tworzy skuteczne środowisko uszczelniające na obu końcach panelu (z przewodnością ciepła ≤0.024W/(m·K)), znacznie zmniejszając straty ciepła w spojeniach, zapewniając izolację termiczną budynku w środowisku górskim i tworząc solidne podstawy dla niezawodnego działania prefabrykowanej podstacji w ekstremalnych warunkach klimatycznych.
Instalacja grzejnych kabli
Gdy prąd elektryczny przepływa przez grzjący kabel, jego opór elektryczny przekształca się w ciepło, tym samym ogrzewając otoczenie. Dla prefabrykowanych podstacji w regionach górskich wybiera się grzace kable o mocy 20-30W/m. Ta moc zapewnia wystarczające ciepło, aby utrzymać wewnętrzną temperaturę w bezpiecznym zakresie pracy sprzętu elektrycznego.
Przed instalacją przeprowadza się szczegółowe oceny termiczne, korzystając z Prawa Fouriera przewodzenia ciepła, aby obliczyć wymagania grzewcze dla kluczowych komponentów i rurociągów. Matematyczny wzór wygląda następująco:
W obliczeniach przewodzenia ciepła:
Dla instalacji grzacych kabli:
Montaż: Używa się mocnych klamer (np. klamry ze stali nierdzewnej, taśmy plastikowe) do przytwierdzenia kabli do powierzchni sprzętu/rurociągów, z odstępem klamer ≤ 30 cm, aby zapobiec przesunięciu i zapewnić stabilne przekazywanie ciepła.
Gęstość układu: Układa się kabla co 10 cm w rowach i na kluczowych elementach, aby zapewnić wystarczające ciepło i zapobiec zamarzaniu.
Kontrola temperatury: Używa się termopar typu K do monitorowania pracy kabli w czasie rzeczywistym. Łączy się je z algorytmem PID (proporcjonalno-całkowo-różniczkowym) do automatycznego dostosowywania mocy, utrzymując temperaturę w wymaganym zakresie. Wzór PID przedstawiony jest w Równaniu (2).
Układ wentylacyjny
W regionach górskich, ekstremalnie niskie temperatury zimowe mogą wpływać na sprzęt podstacji (np. transformatorów, przestawiaczy) i ogólną stabilność. Dlatego symetrycznie montuje się 4 wentylatory osiowe (1.5 kW, (2000 m3/h) na ścianach bocznych, aby zapewnić równomierny przepływ powietrza i zapobiec kondensacji.
Dla prefabrykowanych podstacji stosuje się projekt wentylacyjny "wlot górny, wylot dolny". Stosunek powierzchni wlotu do wylotu wynosi 1:1.5 , aby zapewnić wystarczającą wymianę powietrza. Wentylacyjne kanały (50 mm kamień mineralny, 0.035 W/(m·K) przewodność ciepła) owinięte 0.5 mm folią aluminiową redukują straty ciepła i utrzymują stabilne temperatury wewnątrz.
Podwójne zasilanie
Aby przystosować się do klimatu górskiego, używane są dwa olejowe transformatory S13 - M - 100/10 (100 MVA, 10/0.4 kV) jako główne transformatory. Podłączone do niezależnych źródeł zasilania, działają one równolegle (50% obciążenia w normalnych warunkach), aby zmniejszyć straty i przedłużyć żywotność. System SCADA monitoruje i bilansuje obciążenia w czasie rzeczywistym.
W nagłych sytuacjach (np. awaria jednego transformatora), przełącznik ATS wykonuje transfer zasilania w ciągu 0.1 s, zapewniając bezproblemowe przejęcie obciążenia i stabilne zasilanie. Zgodnie z GB 50052 - 2009, dwa reaktory DKSC - 100/10 (100 A, 6% indukcyjności) ograniczają prąd zwarciowy do ≤ 20 kA, zapobiegając uszkodzeniom przez nadmierną napiętność.
Podsumowanie
Ekstremalne warunki w regionach górskich (niskie temperatury, wiatr, śnieg) wymagają wyższych standardów funkcjonowania i konserwacji prefabrykowanych podstacji. Projekt i budowa muszą obejmować odpowiednią izolację, ogrzewanie, środki ochrony przed wilgocią i sprzęt odporny na wiatr i śnieg.
Przyszłe postępy technologiczne i praktyczne będą dalszo optymalizować te podstacje. Inteligentne systemy monitorowania i dyspozycji będą wzmacniać zdalne zarządzanie i przystosowanie do ekstremalnych warunków klimatycznych, zapewniając stabilne i bezpieczne zasilanie.
