Operativna analiza prefabriciranih opključnih podstajalica u ekstremno hladnim klimatskim uslovima

Echo

Polje: Analiza transformatora

China

Pod klimatskom raznolikošću na globalnom nivou, izgradnja električnih instalacija u planinskim područjima suočena je sa tehničkim i ekološkim izazovima. Ekstremni klima, složena geologija, dugotrajno nisko zimsko hlađenje, kao i ledeni pokrov, sneg i oluje, stavlja pod pritisak stabilnost električne opreme i izgradnju energetskih objekata (rokovode, troškove, održavanje). Tradicionalne lokacije transformatornih stanica, sa dugim vremenom izgradnje i lošom adaptabilnošću, ne mogu da zadovolje brze i stabilne potrebe za strujom u planinskim regionima.

Prefabrikovane kontejnerske transformatorne stanice, kao modularna, fabrički predizrađena rešenja koja integrišu ključnu opremu (visokonaponske prekidače, transformatore, sisteme kontrole), omogućavaju brz montažni proces na mestu nakon transporta. One smanjuju zavisnost od okoline, pokazujui jedinstvenu vrednost u teškim uslovima i ograničenim vremenom u planinskim područjima. Ova istraživanja su namenjena poboljšanju sistema elektriciteta u planinama i globalnog razvoja energije u sličnim uslovima.

Pregled projekta

Projekt se nalazi u planinskom području jugozapadnog Kine: prosečna godišnja temperatura $- 8°C$ , $- 30°C$ zimskih minimuma, više od 5 meseci sa ledom i snegom, preko 1m zamrznutog tla. Na visini od 3600m, obuhvata površinu od 6000m² $(1200m 2)$ , sa ukupnim investicionim fondom od ¥55 miliona (¥33 miliona za opremu, ¥22 miliona za izgradnju).

Ima 2×120MVA glavna transformatora (za ispunjenje visokih zimskih opterećenja), 8×10kV distribucijska ormara (za raspodelu struje) i 3km niskodimenzionih, protuzamrzajnih kabla (prilagođenih hladnim uslovima). Sa ciklusom dizajna i izgradnje od 8 meseci, cilj je osigurati stabilnu i pouzdanu struju u ekstremnim uslovima.

Postavljanje sloja protuzamrzajnog tla

Planinski hlad i ciklusi zamrzavanja i otapanja povećavaju rizik od zamrzavanja tla, što može da ugrozi temelje transformatorskih stanica i kontejnera. Da bi se to rešilo, koristi se GCL (teploprovodnost < $0.5W(m·K)$ , dobra izolacija). Sloj debljine 0.8m sprečava zamrzavanje tla.

Za ekstremno hladno: najpre, bagar CAT 336E uklanja zamrznuto/zagađeno vrhnje tlo. Zatim, zamjenjuje ga šljunak veličine 5–20mm (debljina 300mm) kako bi se povećala nosivost i dreniranje. Sledi dvoslojni GCL debljine 400mm (≥200mm preklapanje, proveren za praznine). Završni sloj od 100mm šljunaka veličine 5–15mm služi kao zaštita GCL-a tokom korišćenja. Tijekom izgradnje, sloj se valja u delovima debljine 200mm, sa ≥6 prolaza. Standardi kvaliteta prikazani su u Tabeli 1

Ključni aspekti izgradnje sloja protuzamrzajnog tla

Tijekom izgradnje sloja protuzamrzajnog tla za prefabrikovane kontejnerske transformatorne stanice u planinskim područjima, sledeći ključni aspekti moraju biti strogo kontrolisani:

Kontrola temperature: Okružna temperatura tijekom izgradnje treba da bude održana iznad $-10°C$ da se spriječi zamrzavanje tla, što bi moglo uticati na kvalitet izgradnje.
Osiguranje dreniranja: Jačanje drenirnih uređaja na mestu izgradnje kako bi se spriječilo da voda izgradnje probije sloj protuzamrzajnog tla i oštetiti strukturu tla.
Planiranje rada: Naučno organizovanje napretka izgradnje i izbegavanje zimskih radova. Zbog niskih zimskih temperatura, koje mogu dovesti do problema sa zamrzavanjem tla, strogo se prati redosled izgradnje kako bi se osigurala podrška sloja protuzamrzajnog tla za stabilnost temelja transformatorske stanice.

Termalni dizajn strukture kontejnera

Pod ekstremno hladnim klimatskim uslovima u planinskim područjima, temperatura unutar kontejnera može pasti ispod $-30°C$ , što predstavlja ozbiljan izazov za stabilno funkcionisanje opreme u transformatorskoj stanci. Stoga je potreban sistematski termalni dizajn kako bi se održao stabilan unutrašnji ambijent kontejnera:

Ključni aspekti izgradnje sloja protuzamrzajnog tla

Tijekom izgradnje sloja protuzamrzajnog tla za prefabrikovane kontejnerske transformatorne stanice u planinskim područjima, sledeći ključni aspekti moraju biti strogo kontrolisani:

Kontrola temperature: Okružna temperatura tijekom izgradnje treba da bude održana iznad $-10°C$ da se spriječi zamrzavanje tla, što bi moglo uticati na kvalitet izgradnje.
Osiguranje dreniranja: Jačanje drenirnih uređaja na mestu izgradnje kako bi se spriječilo da voda izgradnje probije sloj protuzamrzajnog tla i oštetiti strukturu tla.
Planiranje rada: Naučno organizovanje napretka izgradnje i izbegavanje zimskih radova. Zbog niskih zimskih temperatura, koje mogu dovesti do problema sa zamrzavanjem tla, strogo se prati redosled izgradnje kako bi se osigurala podrška sloja protuzamrzajnog tla za stabilnost temelja transformatorske stanice.

Termalni dizajn strukture kontejnera

(1) Izbor i struktura termalnih izolacionih materijala

Održavanje spoljne fasade: Odabran je panel FC (vlaknasta cementna ploča) debljine 15mm, koji ima i čvrstoću i dugovečnost i služi kao "zaštitni oklop" kontejnera.
Glavni termalni izolacioni sloj: Koristeći prednosti visokog otpora na toplinu kamena vune, unutar kontejnera je instaliran sendvič panel fenolno-kamen vune debljine 50mm kako bi se formirao "termalni barijer".
Jačanje vodootpornosti: Među FC panelom i panelom od kamen vune je ugrađena polietilenska folija protiv vlage kako bi se blokirao put penetracije spoljne vlage, održala suha unutrašnjost kontejnera, produžila životna vreme termalnog izolacionog sloja i poboljšala strukturna stabilnost kontejnera.

(2) Optimizacija postupka instalacije

Prihvata se tehnika bez grede za suho vešanje kako bi se povezali spoljni FC panel, panel od kamen vune i čelikov skelet. Posebni držači i fiksatori koriste se za tesno kombinovanje termalnog izolacionog sloja sa konstrukcijskim okvirom. Ova mera ostvaruje neprekidnost termalnog izolacionog sloja, izbegava efekat termalnog mosta (gubitak topline preko vodilnih dijelova poput metalne okvire) i poboljšava ukupnu učinkovitost termalne izolacije.

(3) Tretman detalja za zatvaranje

Za spojnice sendvič panela od kamen vune, koristi se penasti poliuretan gustoće ≥30kg/m³ za ispunjavanje i zatvaranje. Sa svojim karakteristikama fleksibilnosti, zatezanosti, visoke čvrstoće i nesposobnosti apsorpcije vode, ovaj materijal formira visoko učinkovitu zatvorenu sredinu na oba kraja sendvič panela (sa teploprovodnošću ≤0.024W/(m·K) ), znatno smanjuje gubitke topline na spojnicama, osigurava termalnu izolaciju kontejnera u planinskom okruženju i stavlja čvrsti temelj za pouzdano funkcionisanje prefabrikovane kontejnerske transformatorske stanice u ekstremnim klimatskim uslovima.

Instalacija grejnih kabela

Kada struja prođe kroz grejni kabel, njegov električni otpor pretvara se u toplinu, time zagrijavajući okolinu. Za prefabrikovane transformatorske stanice u planinskim područjima, biraju se grejni kablovi snage 20–30W/m. Ova snaga osigurava dovoljno toplinsko izlučivanje kako bi se održala unutrašnja temperatura u sigurnom opsegu za funkcionisanje električne opreme.

Pre instalacije, provodi se detaljna termalna procjena koristeći Zakon Fourierovog toplinskog prenosa kako bi se izračunale toplinske potrebe ključnih komponenti i cjevovoda. Matematička formula je sljedeća:

U izračunima toplinskog prenosa:

$Q$ : Potrebna toplina (jedinica: $W$ )
$k$ : Teploprovodnost materijala površine opreme (jedinica: $W/m·K$ )
$A$ : Površina toplinskog prenosa (jedinica: $m 2$ )
ΔT: Potrebna temperaturna razlika (jedinica: $K$ )
$d$ : Debljina puta toplinskog prenosa (jedinica: $m$ )

Za instalaciju grejnih kablova:

Fiksiranje: Koristiti visokojake klešte (npr. nerđajuće čelikove klešte, plastike trake) za fiksiranje kablova na površinama opreme/cjevovoda, sa razmakom između kleštâ ≤ 30 cm kako bi se spriječilo pomjeranje i osiguralo stabilno prenose topline.
Gustoća rasporeda: Rasporediti kable na razmak od 10 cm u jare i na ključnoj opremi kako bi se osiguralo dovoljno toplinsko izlučivanje i spriječeno zamrzavanje.
Kontrola temperature: Koristiti K-tip termoelemente za stvarno-vremensku nadzor radnog stanja kablova. Parirati sa PID (proporcionalno-integralno-diferencijalnim) algoritmom za automatsko podešavanje snage izlaza, održavajući temperaturu unutar zahtijevanih granica. PID formula prikazana je u Jednačini (2).