Operativna analiza predelanih oklepnih transformatornic v ekstremno hladnem podnebnem okolju

Echo

Polje: Analiza transformatorja

China

V globalni klimatski raznolikosti se alpska električna infrastruktura sooča s tehničnimi in okoljskimi izzivi. Ekstremni klimati, kompleksna geologija in dolgoročno nizke zimske temperature skupaj s ledom, snegom in vihori obremenjujejo stabilnost električne opreme in gradnjo električnih objektov (razporeditev, stroški, vzdrževanje). Tradicionalne na mesto postavljene pretvorilske postaje, z dolgo trajanjem gradnje in slabo prilagodljivostjo, ne morejo zadostiti hitrim in stabilnim potrebam po energiji v alpskih regijah.

Predelane kabinske pretvorilske postaje, kot modularni, tovarniško predelani sistemi, ki združujejo ključno opremo (visokonapetostne preklopnike, transformatorje, nadzorne sisteme), omogočajo hitro montažo na mestu po prevozu. Zmanjšujejo odvisnost od okolja in kažejo edinstveno vrednost v zahtevnih in časovno omejenih alpskih območjih. Ta raziskava je usmerjena v spodbujanje posodobitev alpskih električnih sistemov in globalnega razvoja podobnih okoljskih pogojev.

Pregled projekta

Projekt se nahaja v alpski regiji jugozahodne Kitajske: povprečna letna temperatura $- 8°C$ , $- 30°C$ zimski minimum, več kot 5 mesecev ledu in snega, premer zamrznitve tla presegne 1m. Na višini 3600m pokriva 6000m² $(1200m 2)$ građevninske površine, z celotno investicijo ¥55 milijonov (¥33 milijonov za opremo, ¥22 milijonov za gradnjo).

Ima 2×120MVA glavna transformatorja (za zagotavljanje visokega obremenjenja v zimskem obdobju), 8×10kV distribucijske škatle (za porazdelitev struje) in 3km nizkogladkih, protimrzlih kabelov (prilagojeni hladu). S 8-mesečnim ciklusom oblikovanja in gradnje, je cilj zagotoviti stabilno in zanesljivo oskrbo z energijo v ekstremnih pogojih.

Postavljanje mrzlosti odpornega sloja tla

Alpski hlad in cikli zamrznitve in taljenja so tveganje za zamrznitev tla, kar ogroža temelje pretvorilske postaje in kabine. Za reševanje tega problema se uporablja GCL (teploprovestnost < $0.5W(m·K)$ , dobra izolacija). 0,8m debel sloj preprečuje zamrznitev.

Za ekstremni hlad: najprej CAT 336E kopalo odstrani zamrznito/zaprljeno zgornjo sloj tla. Nato jo nadomešča 5–20mm grava (300mm debel) za izboljšanje nosilne zmogljnosti in odvodnje. Sledi dvoslojni GCL debel 400mm (≥200mm prepokritje, preverjeno za mehure). Na vrhu sledi 100mm debel zaščitni sloj grava velikosti 5–15mm za zaščito GCL med uporabo. Med gradnjo se sloj valja v 200mm debelih delih, z ≥6 prehodi. Kakovostni standardi so v Tabeli 1

Ključni vidiki gradnje mrzlosti odpornega sloja tla

Med gradnjo mrzlosti odpornega sloja tla za predelane kabinske pretvorilske postaje v alpskih regijah je potrebno strogo kontrolirovati naslednje ključne vidike:

Temperaturna kontrosla: Okoljska temperatura med gradnjo bi morala biti ohranjena nad $-10°C$ da se prepreči zamrznitev tla, ki bi lahko vplivala na kakovost gradnje.
Zaradi zagotavljanja odvodnje: Okrepiti odvodne naprave na mestu gradnje, da se prepreči, da bi gradbena voda namočila mrzlosti odporni sloj tla in poškodovala strukturo tla.
Načrtovanje časovnega razporeda gradnje: Znanstveno organizirati napredek gradnje in izogibati se zimskemu gradnji. Ker lahko nizke temperature v zimskem obdobju povzročijo težave s zamrznitvijo tla, strogo slediti zaporedju gradnje, da se zagotovi podpora mrzlosti odpornega sloja tla za stabilnost temeljev pretvorilske postaje.

Toplotna izolacijska oblikovanja strukture kabine

V alpskih regijah pri ekstremno hladnem klimatu lahko temperatura znotraj kabine pada pod $-30°C$ , kar predstavlja resen izziv za stabilno delovanje opreme v pretvorilski postaji. Zato je potrebno sistematično toplotno izolacijsko oblikovanje, da se ohrani stabilno notranje okolje kabine:

Ključni vidiki gradnje mrzlosti odpornega sloja tla

Med gradnjo mrzlosti odpornega sloja tla za predelane kabinske pretvorilske postaje v alpskih regijah je potrebno strogo kontrolirovati naslednje ključne vidike:

Temperaturna kontrosla: Okoljska temperatura med gradnjo bi morala biti ohranjena nad $-10°C$ da se prepreči zamrznitev tla, ki bi lahko vplivala na kakovost gradnje.
Zaradi zagotavljanja odvodnje: Okrepiti odvodne naprave na mestu gradnje, da se prepreči, da bi gradbena voda namočila mrzlosti odporni sloj tla in poškodovala strukturo tla.
Načrtovanje časovnega razporeda gradnje: Znanstveno organizirati napredek gradnje in izogibati se zimskemu gradnji. Ker lahko nizke temperature v zimskem obdobju povzročijo težave s zamrznitvijo tla, strogo slediti zaporedju gradnje, da se zagotovi podpora mrzlosti odpornega sloja tla za stabilnost temeljev pretvorilske postaje.

Toplotna izolacijska oblikovanja strukture kabine

(1) Izbor in struktura toplotno izolacijskih materialov

Održba zunanjega fasada: Izbrana je 15mm debela FC (vlaknovi cement) plošča, ki ima trdnost in trajnost in služi kot "zaščitni oklep" kabine.
Glavni toplotno izolacijski sloj: Izkoriščen je prednost visoke toplotne upornosti kamniti vune, znotraj kabine je nameščena 50mm debela fenolna kamnita vuna sendvič plošča, da se ustvari "toplotni ovire".
Izboljšanje odpornosti na vlago: Vključen je polietilenov film za zaščito pred vlago med FC ploščo in kamnito vuno, da se blokira pot penetracije zunanje vlage, ohranja notranjost kabine suha, podaljša življenjsko dobo toplotno izolacijskega sloja in izboljša strukturno stabilnost kabine.

(2) Optimalizacija postopka namestitve

Uporabljen je postopek brez purlina suchega viseča, da se poveže FC zunana stena, kamnita vuna plošča in kvadratna jeklena koščica. Posebni držalci in pričvrščevalniki se uporabljajo za tesno kombiniranje toplotno izolacijskega sloja s strukturnim okvirjem. To ukrepa omogoča neprekinjenost toplotno izolacijskega sloja, prepreči učinek toplotnega mosta (izguba toplote skozi vodilne dele, kot so metalni okvir) in izboljša skupno učinkovitost toplotne izolacije.

(3) Obravnava podrobnosti za zateganje

Za dovzetnost kamnite vune sendvič plošče se uporablja puščano poliuretan z gostoto ≥30kg/m³ za ispitev in zateganje. S svojimi lastnostmi plastičnosti, hermetičnosti, visoke trdnosti in nevlage, ta material oblikuje visoko učinkovito zategano okolje na obeh koncih sendvič plošče (s toplotno prevodnostjo ≤0.024W/(m·K)), kar veliko zmanjša izgubo toplote na spojih, zagotavlja toplotno izolacijsko zmogljnost kabine v alpskem okolju in postavlja trdno podlago za zanesljivo delovanje predelane kabinske pretvorilske postaje v ekstremnih klimatskih pogoji.

Namestitev ogrjevalnih kabl

Ko tok električne energije preteče skozi ogrjevalni kabel, njegova električna upornost pretvori v toploto, s tem segreva okoliško okolje. Za predelane kabinske pretvorilske postaje v alpskih regijah so izbrani ogrjevalni kabeli z močjo 20–30W/m. Ta stopnja moči zagotavlja dovolj toplote, da se ohrani notranja temperatura znotraj varnega območja za delovanje električne opreme.

Pred namestitvijo je izvedena podrobna toplotna ocena z uporabo Fourierjevega zakona o toplotni prevodnosti, da se izračunajo toplotni zahtevki za ključne komponente in cevovode. Matematična formula je naslednja:

Pri izračunih toplotne prevodnosti:

$Q$ : Potrebna toplota (enota: $W$ )
$k$ : Toplotna prevodnost površine opreme (enota: $W/m·K$ )
$A$ : Površina toplotne prevodnosti (enota: $m 2$ )
ΔT: Potrebna temperaturna razlika (enota: $K$ )
$d$ : Debela toplotne prevodnosti (enota: $m$ )

Za namestitev ogrjevalnih kabl:

Fiksiranje: Uporaba visokotrdnih klepetnikov (npr. nerjaveči jekleni klepetniki, plastmasni pasovi) za pričvrščevanje kabl na površine opreme/cevovode, s prostorom med klepetniki ≤ 30 cm, da se prepreči premikanje in zagotovi stabilno prenos toplote.
Gostota razporeditve: Razporeditev kabl na 10 cm intervalih v jarkih in na ključnih komponentah, da se zagotovi dovolj toplote in prepreči zamrznitev.
Temperaturna kontrosla: Uporaba K-tipa termoelementov za stvarnočasno spremljanje delovanja kabl. Skupaj s PID (proporcionalno-integralno-odvodno) algoritmi za samodejno prilagajanje moči, ohranjanje temperature znotraj zahtevanih mej. Formula PID je prikazana v enačbi (2).