Análise Operacional de Subestações com Envolvente Pré-fabricada em Aplicações de Clima Extremamente Frio
Em um clima global diversificado, a construção de instalações elétricas em regiões alpinas enfrenta desafios técnicos e ambientais. Climas extremos, geologia complexa e temperaturas invernais baixas a longo prazo, juntamente com gelo, neve e tempestades, afetam a estabilidade do equipamento elétrico e a construção de instalações de energia (cronograma, custo, manutenção). Subestações convencionais no local, com longos períodos de construção e baixa adaptabilidade, não podem atender às necessidades rápidas e estáveis de energia das regiões alpinas.
Subestações pré-fabricadas em cabines, como configurações modulares e pré-fabricadas em fábrica que integram equipamentos centrais (interruptores de alta tensão, transformadores, sistemas de controle), permitem a montagem rápida no local após o transporte. Elas reduzem a dependência ambiental, mostrando valor único em áreas alpinas rigorosas e com prazos apertados. Esta pesquisa visa impulsionar as atualizações dos sistemas de energia alpinos e o desenvolvimento de energia em ambientes semelhantes em todo o mundo.
Visão Geral do Projeto
O projeto está localizado em uma região alpina do sudoeste da China: temperatura média anual de - 8°C, mínimas invernais de - 30°C, mais de 5 meses de gelo e neve, congelamento do solo superior a 1m. A uma altitude de 3600m, cobre 6000m2(1200m2) de área construída, com investimento total de ¥55 milhões (¥33 milhões em equipamentos, ¥22 milhões em construção).
Possui 2×120MVA de transformadores principais (atendendo à carga elevada no inverno), 8×10kV de painéis de distribuição (para distribuição de energia) e 3km de cabos de baixa fumaça e anti-congelamento (adequados ao frio). Com um ciclo de projeto e construção de 8 meses, visa garantir energia estável e confiável em condições extremas.
Colocação de Camada de Solo Antigelo
O frio alpino e os ciclos de congelamento-descongelamento colocam em risco o congelamento do solo, ameaçando as fundações da subestação e as cabines. Para resolver isso, utiliza-se GCL (condutividade térmica < 0.5W(m·K), boa isolante). A camada de 0,8m de espessura previne o empuxo de gelo.
Para o frio extremo: primeiro, uma escavadeira CAT 336E remove o solo superficial congelado ou contaminado. Em seguida, substitui-o por brita de 5-20mm (300mm de espessura) para aumentar a capacidade de suporte e drenagem. Segue-se uma camada dupla de GCL de 400mm de espessura (≥200mm de sobreposição, verificada para lacunas). Uma camada protetora de brita de 100mm de espessura e 5-15mm de tamanho é colocada no topo para proteger o GCL durante o uso. Durante a construção, a camada é compactada em seções de 200mm de espessura, com ≥6 passagens. Os padrões de qualidade estão na Tabela 1
Pontos Chave da Construção da Camada de Solo Antigelo
Durante a construção da camada de solo antigelo para subestações pré-fabricadas em cabines em regiões alpinas, os seguintes aspectos-chave precisam ser estritamente controlados:
Design de Isolamento Térmico da Estrutura da Cabine
Sob o clima severamente frio das regiões alpinas, a temperatura interna da cabine pode cair abaixo de -30°C, representando um desafio sério para a operação estável do equipamento na subestação. Portanto, é necessário um design sistemático de isolamento térmico para manter um ambiente interno estável da cabine:
Pontos Chave da Construção da Camada de Solo Antigelo
Durante a construção da camada de solo antigelo para subestações pré-fabricadas em cabines em regiões alpinas, os seguintes aspectos-chave precisam ser estritamente controlados:
Design de Isolamento Térmico da Estrutura da Cabine
Sob o clima severamente frio das regiões alpinas, a temperatura interna da cabine pode cair abaixo de -30°C, representando um desafio sério para a operação estável do equipamento na subestação. Portanto, é necessário um design sistemático de isolamento térmico para manter um ambiente interno estável da cabine:
(1) Seleção e Estrutura dos Materiais de Isolamento Térmico
(2) Otimização do Processo de Instalação
A tecnologia de suspensão seca sem purlins é adotada para conectar o painel de parede externo FC, o painel de lã de rocha e o esqueleto de aço quadrado. Suportes e fixadores especiais são usados para combinar firmemente a camada de isolamento térmico com a estrutura. Essa medida realiza a continuidade sem costuras da camada de isolamento térmico, evita o efeito de ponte térmica (perda de calor através de partes condutoras de calor, como o esqueleto metálico) e melhora a eficiência geral de isolamento térmico.
(3) Tratamento de Detalhes de Vedação
Para a junta macho-e-fêmea do painel sanduíche de lã de rocha, é utilizada espuma de poliuretano com densidade ≥30kg/m³ para preenchimento e vedação. Com suas características de plasticidade, estanqueidade, alta resistência e não absorção de água, esse material forma um ambiente de vedação altamente eficiente nas extremidades do painel sanduíche (com condutividade térmica de ≤0.024W/(m·K)), reduzindo significativamente a perda de calor nas juntas, garantindo o desempenho de isolamento térmico da cabine no ambiente alpino e estabelecendo uma base sólida para a operação confiável da subestação pré-fabricada em cabine em climas extremos.
Instalação de Cabo de Aquecimento
Quando uma corrente elétrica passa pelo cabo de aquecimento, sua resistência elétrica é convertida em calor, aquecendo assim o ambiente circundante. Para cabines de subestações pré-fabricadas em regiões alpinas, são selecionados cabos de aquecimento com potência de 20-30W/m. Este nível de potência garante saída de calor suficiente para manter a temperatura interna dentro de um intervalo seguro de operação para o equipamento elétrico.
Antes da instalação, é realizada uma avaliação térmica detalhada usando a Lei de Fourier de Condução de Calor para calcular os requisitos de aquecimento para componentes e tubulações críticos. A fórmula matemática é a seguinte:
Nas calculadoras de condução de calor:
Para a instalação do cabo de aquecimento:
Fixação: Use grampos de alta resistência (por exemplo, clips de aço inoxidável, tiras plásticas) para fixar os cabos às superfícies do equipamento/tubulações, com espaçamento de grampo ≤ 30 cm para evitar deslocamento e garantir transferência de calor estável.
Densidade de Disposição: Disponha os cabos a intervalos de 10 cm em valas e em equipamentos críticos para fornecer calor suficiente e evitar o congelamento.
Controle de Temperatura: Use termopares do tipo K para monitorar a operação do cabo em tempo real. Combine com algoritmos PID (proporcional-integral-derivativo) para ajustar automaticamente a saída de potência, mantendo a temperatura dentro dos intervalos necessários. A fórmula PID é mostrada na Equação (2).
Disposição do Dispositivo de Ventilação
Em regiões alpinas, as temperaturas extremamente baixas no inverno podem afetar o equipamento da subestação (por exemplo, transformadores, disjuntores) e a estabilidade geral. Portanto, são instalados simetricamente 4 ventiladores axiais (1,5 kW, (2000 m3/h) nas paredes laterais para garantir fluxo de ar uniforme e evitar condensação.
Para subestações pré-fabricadas em cabines, é utilizado um design de ventilação "entrada superior, exaustão inferior". A razão de área entre as entradas e as saídas de exaustão é 1:1.5 para garantir trocas de ar suficientes. Dutos isolados (50 mm de lã de rocha, condutividade térmica de 0.035 W/(m·K) ) revestidos com folha de alumínio de 0,5 mm reduzem a perda de calor e mantêm temperaturas internas estáveis.
Alimentação Dupla
Para se adaptar aos climas alpinos, são utilizados dois transformadores S13-M-100/10 (100 MVA, 10/0,4 kV) como transformadores principais. Conectados a fontes de alimentação independentes, operam em paralelo (taxa de carga de 50% em condições normais) para reduzir perdas e prolongar a vida útil. O sistema SCADA monitora e equilibra as cargas em tempo real.
Em emergências (por exemplo, falha de um transformador), o interruptor ATS realiza a transferência de energia em 0,1 s, garantindo a tomada de carga contínua e o fornecimento de energia estável. Conforme GB 50052-2009, dois reatores DKSC-100/10 (100 A, 6% de reatância) limitam a corrente de curto-circuito a ≤ 20 kA, prevenindo danos por sobretensão.
Conclusão
As condições extremas das regiões alpinas (baixas temperaturas, vento, neve) exigem padrões mais elevados para a operação e manutenção de subestações pré-fabricadas em cabines. O projeto e a construção devem incluir isolamento adequado, aquecimento, medidas de impermeabilização e equipamentos resistentes a vento e neve.
Avanços futuros em tecnologia e prática otimizarão ainda mais essas subestações. Sistemas de monitoramento e despacho inteligentes aprimorarão a gestão remota e a adaptabilidade a climas extremos, garantindo fornecimento de energia estável e seguro.
