Операционный анализ сборных блочных подстанций в условиях крайне холодного климата
В условиях глобального климатического разнообразия строительство электростанций в горных районах сталкивается с техническими и экологическими вызовами. Экстремальные климатические условия, сложная геология, длительные низкие зимние температуры, а также лед, снег и штормы создают нагрузку на стабильность электротехнического оборудования и строительство энергетических объектов (сроки, затраты, обслуживание). Традиционные подстанции, построенные на месте, с длительным сроком строительства и низкой адаптивностью, не могут удовлетворить быстрым и стабильным потребностям в электроэнергии горных районов.
Модульные блочные подстанции, как заводские сборные установки, интегрирующие основное оборудование (высоковольтные выключатели, трансформаторы, системы управления), позволяют быстро собирать их на месте после транспортировки. Они снижают зависимость от окружающей среды, демонстрируя уникальную ценность в суровых горных регионах с ограниченными сроками. Это исследование направлено на ускорение модернизации энергосистем в горных районах и развитие энергетики в аналогичных условиях по всему миру.
Обзор проекта
Проект расположен в горном регионе юго-западного Китая: среднегодовая температура - 8°C, зимние минимумы - 30°C, более 5 месяцев со льдом и снегом, глубина промерзания почвы более 1 метра. На высоте 3600 метров он охватывает 6000м2(1200 м2) общей площади, с общими инвестициями в размере ¥55 миллионов (¥33 миллиона на оборудование, ¥22 миллиона на строительство).
Он имеет 2×120 МВА главных трансформатора (обеспечивающих высокую нагрузку зимой), 8×10 кВ распределительных шкафов (для распределения электроэнергии) и 3 км низкодымных, антиобледенительных кабелей (приспособленных к холоду). С циклом проектирования и строительства в 8 месяцев, он стремится обеспечить стабильное и надежное электроснабжение в экстремальных условиях.
Укладка морозостойкого грунтового слоя
Холодные условия и циклы замораживания-размораживания в горных районах создают риск замерзания почвы, что может повредить фундамент подстанции и кабины. Для решения этой проблемы используется GCL (теплопроводность < 0.5 Вт/(м·К), хорошая изоляция). Слой толщиной 0.8 м предотвращает пучение почвы.
Для экстремально холодных условий: сначала экскаватор CAT 336E удаляет замерзшую/загрязненную верхнюю почву. Затем она заменяется 5–20 мм гравием (толщина 300 мм) для увеличения несущей способности и дренажа. За ним следует двойной слой GCL толщиной 400 мм (нахлест ≥200 мм, проверенный на наличие зазоров). Верхний защитный слой толщиной 100 мм из 5–15 мм гравия защищает GCL во время эксплуатации. Во время строительства слой укатывается секциями толщиной 200 мм, с ≥6 проходами. Стандарты качества приведены в таблице 1.
Основные моменты строительства морозостойкого грунтового слоя
При строительстве морозостойкого грунтового слоя для модульных блочных подстанций в горных районах необходимо строго контролировать следующие ключевые аспекты:
Теплоизоляционный дизайн конструкции кабины
В условиях сильного холода в горных районах температура внутри кабины может опуститься ниже -30°C, что представляет серьезную проблему для стабильной работы оборудования на подстанции. Поэтому требуется систематический теплоизоляционный дизайн для поддержания стабильной внутренней среды кабины:
Основные моменты строительства морозостойкого грунтового слоя
При строительстве морозостойкого грунтового слоя для модульных блочных подстанций в горных районах необходимо строго контролировать следующие ключевые аспекты:
Теплоизоляционный дизайн конструкции кабины
В условиях сильного холода в горных районах температура внутри кабины может опуститься ниже -30°C, что представляет серьезную проблему для стабильной работы оборудования на подстанции. Поэтому требуется систематический теплоизоляционный дизайн для поддержания стабильной внутренней среды кабины:
(1) Выбор и структура теплоизоляционных материалов
(2) Оптимизация процесса установки
Применяется технология безстропильного сухого крепления для соединения наружной панели FC, панели из каменной ваты и квадратного стального каркаса. Используются специальные кронштейны и крепежные элементы для плотного соединения теплоизоляционного слоя с конструктивным каркасом. Эта мера обеспечивает бесшовное продолжение теплоизоляционного слоя, предотвращает эффект теплового моста (потери тепла через теплопроводящие части, такие как металлический каркас) и повышает общую эффективность теплоизоляции.
(3) Обработка деталей герметизации
Для языкового соединения сэндвич-панели из каменной ваты используется пенополиуретан плотностью ≥30 кг/м3 для заполнения и герметизации. Благодаря своим характеристикам пластичности, герметичности, высокой прочности и невпитыванию воды, этот материал формирует высокоэффективную герметизирующую среду на обоих концах сэндвич-панели (с теплопроводностью ≤0.024 Вт/(м·К)), значительно снижая потери тепла в местах соединений, обеспечивая теплоизоляционные свойства кабины в горных условиях и закладывая прочную основу для надежной работы модульной блочной подстанции в экстремальных климатических условиях.
Установка нагревательных кабелей
Когда электрический ток проходит через нагревательный кабель, его электрическое сопротивление преобразуется в тепло, тем самым согревая окружающую среду. Для модульных блочных подстанций в горных районах выбираются нагревательные кабели мощностью 20–30 Вт/м. Этот уровень мощности обеспечивает достаточное количество тепла для поддержания внутренней температуры в безопасном диапазоне для работы электротехнического оборудования.
Перед установкой проводится детальная теплотехническая оценка с использованием закона Фурье теплопроводности для расчета тепловых требований для критически важных компонентов и трубопроводов. Математическая формула следующая:
При расчетах теплопроводности:
Для установки нагревательных кабелей:
Фиксация: Используйте крепления высокой прочности (например, нержавеющие зажимы, пластиковые ремни) для крепления кабелей к поверхностям оборудования/трубопроводам, с шагом креплений ≤ 30 см, чтобы предотвратить смещение и обеспечить стабильную передачу тепла.
Плотность размещения: Расположите кабели с интервалом 10 см в траншеях и на критически важном оборудовании, чтобы обеспечить достаточное количество тепла и предотвратить обледенение.
Контроль температуры: Используйте термопары типа K для мониторинга работы кабелей в реальном времени. Сопрягайте с алгоритмами PID (пропорционально-интегрально-дифференциальным) для автоматической корректировки выходной мощности, поддерживая температуру в требуемых пределах. Формула PID показана в уравнении (2).
Расположение вентиляционных устройств
В горных районах крайне низкие зимние температуры могут влиять на оборудование подстанции (например, трансформаторы, коммутационные устройства) и общую стабильность. Поэтому симметрично на боковых стенах устанавливаются 4 осевых вентилятора (1.5 кВт, (2000 м3/ч), чтобы обеспечить равномерный поток воздуха и предотвратить образование конденсата.
Для модульных блочных подстанций используется система вентиляции "верхний забор, нижний выпуск". Соотношение площадей входных и выходных отверстий составляет 1:1.5, чтобы обеспечить достаточное количество воздухообменов. Изолированные воздуховоды (50 мм каменная вата, теплопроводность 0.035 Вт/(м·К)) с оберткой из 0.5 мм алюминиевой фольги снижают потери тепла и поддерживают стабильную температуру внутри помещения.
Двойное питание
Для адаптации к горным климатическим условиям используются два масляных трансформатора S13 - M - 100/10 (100 МВА, 10/0.4 кВ) в качестве основных трансформаторов. Подключенные к независимым источникам питания, они работают параллельно (50% нагрузки при стандартных условиях) для снижения потерь и увеличения срока службы. Система SCADA осуществляет мониторинг и балансировку нагрузки в реальном времени.
В чрезвычайных ситуациях (например, если один трансформатор выйдет из строя), переключатель ATS выполняет переключение питания в течение 0.1 с, обеспечивая бесшовное перенаправление нагрузки и стабильное электроснабжение. В соответствии с GB 50052 - 2009, два реактора DKSC - 100/10 (100 А, 6% реактивности) ограничивают ток короткого замыкания до ≤ 20 кА, предотвращая повреждения от перенапряжения.
Заключение
Экстремальные условия в горных районах (низкие температуры, ветер, снег) требуют более высоких стандартов для эксплуатации и обслуживания модульных блочных подстанций. Проектирование и строительство должны включать подходящую изоляцию, отопление, влагозащитные меры и оборудование, устойчивое к ветру и снегу.
Будущие технологические и практические достижения позволят еще больше оптимизировать эти подстанции. Интеллектуальные системы мониторинга и диспетчеризации улучшат удаленное управление и адаптивность к экстремальным климатическим условиям, обеспечивая стабильное и безопасное электроснабжение.
