Operativa analys av förfabrikerade ombud i extrema kalla klimatapplikationer
Under global climate diversity, alpine power construction faces technical and environmental challenges. Extreme climates, complex geology, and long-term low winter temperatures, along with ice, snow, and storms, strain electrical equipment stability and power facility construction (schedule, cost, maintenance). Traditional on-site substations, with long construction and poor adaptability, can’t meet alpine regions’ fast, stable power needs.
Förmodulära kabinunderstationer, som är modulära, fabriksförberedda installationer som integrerar kärnutrustning (hövspänningsbrytare, transformatorer, styrsystem), möjliggör snabb montering på plats efter transport. De minskar miljöberoendet och visar ett unikt värde i hårda, tidspressade alpina områden. Detta forskningsprojekt syftar till att främja uppgradering av alpina elkraftsystem och global utveckling av elproduktion i liknande miljöer.
Projektöversikt
Projektet ligger i en alpin region i sydvästra Kina: medeltemperatur på - 8°C per år, - 30°C under vintern, mer än 5 månaders is och snö, över 1 m markfrost. På 3600 m höjd täcker det 6000m2(1200m2) byggd yta, med total investering på ¥55 miljon (¥33 miljon för utrustning, ¥22 miljon för konstruktion).
Det har 2×120MVA huvudtransformatorer (som uppfyller höga belastningar under vintern), 8×10kV distributionskabiner (för elfördelning), och 3 km rökfria, frostskyddade kablar (anpassade för kyla). Med en 8-månaders design- och byggtid siktar det på att säkerställa stabil och pålitlig ström under extrema förhållanden.
Läggning av frostskyddande jordlager
Alpin kyla och frysförekomster riskerar att frysa marken, vilket hotar understationens grundvalar och kabiner. För att hantera detta används GCL (termisk ledningsförmåga < 0.5W(m·K), god isolering). Det 0.8 m tjocka lagret förhindrar frosthejting.
För extrem kyla: först tas bort fryst/pollinerad ytmark med en CAT 336E-grävmaskin. Sedan ersätts den med 5–20 mm grus (300 mm tjock) för att öka bärförmågan och dränering. Efterföljer en dubbelväggad GCL (400 mm tjock, ≥200 mm överlappning, kontrollerad för luckor). En skyddslager av 100 mm tjock 5–15 mm grus täcker toppen för att skydda GCL under användning. Under konstruktionen rullas lagret i 200 mm tjocka sektioner, med ≥6 pass. Kvalitetsstandarder finns i Tabell 1.
Nyckelpunkter för konstruktion av frostskyddande jordlager
Under konstruktionen av frostskyddande jordlager för förmodulära kabinunderstationer i alpina områden behöver följande nyckelaspekter strikt kontrolleras:
Termisk isoleringsdesign av kabinstuktur
Under de allvarliga kalla klimatet i alpina områden kan temperaturen inuti kabinen sjunka till under -30°C, vilket utgör ett allvarligt hot mot den stabila drift av utrustningen i understationen. Därför krävs en systematisk termisk isoleringsdesign för att bibehålla en stabil intern miljö i kabinen:
Nyckelpunkter för konstruktion av frostskyddande jordlager
Under konstruktionen av frostskyddande jordlager för förmodulära kabinunderstationer i alpina områden behöver följande nyckelaspekter strikt kontrolleras:
Termisk isoleringsdesign av kabinstuktur
Under de allvarliga kalla klimatet i alpina områden kan temperaturen inuti kabinen sjunka till under -30°C, vilket utgör ett allvarligt hot mot den stabila drift av utrustningen i understationen. Därför krävs en systematisk termisk isoleringsdesign för att bibehålla en stabil intern miljö i kabinen:
(1) Val och struktur av termiska isoleringsmaterial
(2) Optimering av installationsprocess
Den fria purlintekniken används för att ansluta den externa FC-väggen, bergullspanelen och kvadratiska stålben. Speciella hängare och fastigheter används för att tätt kombinera isoleringslagret med strukturen. Detta åtgärd realiserar den sömlösa kontinuiteten av isoleringslagret, undviker termisk broeffekt (värmeförlust genom värmledande delar som metallramen) och förbättrar den totala termiska isoleringsprestandan.
(3) Behandling av tättning detaljer
För tong-and-groove av bergullssandwichpanelen använder man skummat polyuretan med densitet ≥30kg/m³ för fyllning och tättning. Med dess egenskaper som plasticitet, lufttät, hög styrka och icke-fuktabsorption bildar detta material en mycket effektiv tätningmiljö vid båda ändarna av sandwichpanelen (med termisk ledningsförmåga ≤0.024W/(m·K)), vilket drastiskt minskar värmeavlägsningen vid anslutningarna, säkerställer kabinens termiska isoleringsprestanda i alpina miljöer och lägger en solid grund för den förfabrikade kabinunderstationens tillförlitliga drift i extrema klimat.
Installation av värmekabel
När elektrisk ström passerar genom värmekabeln omvandlas dess elektriska resistans till värme, vilket varmar den omgivande miljön. För förfabrikade understationskabiner i alpina områden väljs värmekabler med effekt 20–30W/m. Denna effektnivå säkerställer tillräcklig värmeutveckling för att hålla den interna temperaturen inom ett säkert driftområde för elektrisk utrustning.
Innan installationen genomförs en detaljerad termisk bedömning med Fouriers lag om värmeledning för att beräkna värmekraven för kritiska komponenter och rör. Den matematiska formeln är som följer:
I värmeledningsberäkningar:
För installation av värmekabel:
Fastning: Använd högkvalitativa klamrar (t.ex. rostfria klipp, plastremmar) för att fästa kablerna till utrustningsytorna/rören, med klamavrumsavstånd ≤ 30 cm för att förhindra förskjutning och säkerställa stabil värmetransfer.
Utformningsdensitet: Placera kablerna med 10 cm mellanrum i gravar och på kritiska utrustningar för att tillhandahålla tillräcklig värme och förhindra isbildning.
Temperaturkontroll: Använd K-typ termoelement för att övervaka kabelns drift i realtid. Koppla ihop med PID-algoritmer (proportionell-integral-derivativ) för att automatiskt justera effektutdata, vilket håller temperaturen inom de krävda intervallen. PID-formeln visas i ekvation (2).
Ventilationsenhetslayout
I alpina områden kan extremt låga vinter temperature påverka understationsutrustning (t.ex. transformatorer, spänningsbrytare) och den totala stabiliteten. Därför installeras symmetriskt 4 axiella fläktar (1.5 kW, (2000 m3/h) på sidoväggarna för att säkerställa jämn luftflöde och förhindra kondensation.
För förfabrikade kabinunderstationer används en "toppintag, bottenuttag" ventilationsdesign. Intagnings- och uttagningsutlets areaförhållandet är 1:1.5 för att säkerställa tillräckliga luftbyten. Isolerade kanaler (50 mm bergull, 0.035 W/(m·K) termisk ledningsförmåga) med 0.5 mm aluminiumfolie svepning minskar värmeavlägsningen och bibehåller stabila inomhus temperature.
Dubbel energiförsörjning
För att anpassa sig till alpina klimat används två S13-M-100/10 oljeindränkta transformatorer (100 MVA, 10/0.4 kV) som huvudtransformatorer. Anslutna till oberoende energikällor, opererar de parallellt (50% belastningsgrad under standardvillkor) för att minska förluster och förlänga livslängden. SCADA-systemet övervakar och balanserar belastningen i realtid.
Vid nödsituationer (t.ex. en transformator misslyckas) slutför ATS-brytaren energioverföringen inom 0.1 s, vilket garanterar smidig belastningsöverföring och stabil energiförsörjning. Enligt GB 50052-2009 begränsar två DKSC-100/10 reaktorer (100 A, 6% reaktans) kortslutningsströmmen till ≤ 20 kA, vilket förhindrar överspänningsskador.
Slutsats
De extrema förhållandena i alpina områden (låga temperaturer, vind, snö) kräver högre standarder för drift och underhåll av förfabrikade kabinunderstationer. Design och konstruktion måste inkludera lämplig isolering, uppvärmning, fuktbevisning och vind- och snöbeständiga enheter.
Framtidens teknologiska framsteg och praktik kommer att ytterligare optimera dessa understationer. Intelligenta övervaknings- och schemaläggningsystem kommer att förbättra fjärrhantering och anpassning till extrema klimat, vilket garanterar stabil och säker energiförsörjning.
