การวิเคราะห์การทำงานของสถานีไฟฟ้าที่ประกอบจากโรงงานในสภาพอากาศหนาวจัด
ภายใต้ความหลากหลายของภูมิอากาศทั่วโลก การก่อสร้างระบบไฟฟ้าในพื้นที่ภูเขาสูงต้องเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคและสิ่งแวดล้อม ภูมิอากาศที่รุนแรง พื้นที่ธรณีวิทยาที่ซับซ้อน และอุณหภูมิต่ำในช่วงฤดูหนาวที่ยาวนาน พร้อมกับน้ำแข็ง หิมะ และพายุ ทำให้เกิดความเครียดต่อความเสถียรของอุปกรณ์ไฟฟ้าและการก่อสร้างสถานีไฟฟ้า (กำหนดการ ค่าใช้จ่าย การบำรุงรักษา) สถานีไฟฟ้าแบบเดิมๆ ที่สร้างขึ้นบนที่ตั้ง มีระยะเวลาก่อสร้างที่ยาวนานและมีความยืดหยุ่นต่ำ ไม่สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานที่รวดเร็วและเสถียรในพื้นที่ภูเขาได้
สถานีไฟฟ้าแบบตู้สำเร็จรูป เป็นระบบที่ประกอบด้วยโมดูลที่ผลิตจากโรงงานโดยรวมอุปกรณ์หลัก (สวิตช์แรงดันสูง หม้อแปลง เครื่องควบคุม) ทำให้สามารถประกอบได้อย่างรวดเร็วหลังจากการขนส่ง ลดความพึ่งพาสภาพแวดล้อม และแสดงคุณค่าที่เป็นเอกลักษณ์ในพื้นที่ภูเขาที่มีสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและเวลาจำกัด การวิจัยนี้มีเป้าหมายเพื่อกระตุ้นการปรับปรุงระบบไฟฟ้าในพื้นที่ภูเขาและพัฒนาพลังงานในสภาพแวดล้อมที่คล้ายคลึงกันทั่วโลก
ภาพรวมโครงการ
โครงการตั้งอยู่ในพื้นที่ภูเขาสูงทางตะวันตกเฉียงใต้ของจีน: อุณหภูมิเฉลี่ยประจำปี - 8°C อุณหภูมิต่ำสุดในฤดูหนาว - 30°C หิมะปกคลุมมากกว่า 5 เดือน ความลึกของดินที่แช่แข็งมากกว่า 1 เมตร ที่ระดับความสูง 3600 เมตร ครอบคลุมพื้นที่การก่อสร้าง 6000m2(1200m2) ด้วยเงินลงทุนรวม 55 ล้านเยน (33 ล้านเยนสำหรับอุปกรณ์ 22 ล้านเยนสำหรับการก่อสร้าง)
มีหม้อแปลงหลัก 2x120MVA (ตอบสนองโหลดสูงในฤดูหนาว) ตู้กระจายไฟฟ้า 8x10kV (สำหรับการกระจายไฟฟ้า) และสายเคเบิลที่ทนทานต่อควันและละลายแข็ง 3 กิโลเมตร (เหมาะสมกับสภาพอากาศที่หนาวเหน็บ) ด้วยวงจรการออกแบบและก่อสร้าง 8 เดือน มีเป้าหมายเพื่อรับประกันพลังงานที่เสถียรและเชื่อถือได้ภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรง
การวางชั้นดินป้องกันการแช่แข็ง
ความหนาวเย็นและความเปลี่ยนแปลงระหว่างการแช่แข็งและละลายในพื้นที่ภูเขาสูงอาจทำให้ดินแช่แข็ง ซึ่งเป็นอันตรายต่อฐานรากของสถานีไฟฟ้าและตู้ ในการแก้ไขปัญหานี้ GCL (ความนำความร้อน < 0.5W(m·K) ฉนวนที่ดี) ถูกนำมาใช้ ชั้นหนา 0.8 เมตร ป้องกันการขยายตัวของดินเนื่องจากการแช่แข็ง
สำหรับความหนาวเย็นที่รุนแรง: แรก รถขุด CAT 336E ทำการขุดดินผิวที่แช่แข็งหรือมีมลพิษ จากนั้น หินกรวดขนาด 5-20 มม. แทนที่ดินผิว (หนา 300 มม.) เพื่อเพิ่มความสามารถในการรองรับน้ำหนักและการระบายน้ำ ตามด้วย GCL สองชั้นหนา 400 มม. (ซ้อนทับกันอย่างน้อย 200 มม. ตรวจสอบช่องว่าง) ชั้นป้องกันด้วยหินกรวดขนาด 5-15 มม. หนา 100 มม. ป้องกัน GCL ในระหว่างการใช้งาน ในการก่อสร้าง ชั้นถูกกลิ้งเป็นส่วนๆ หนา 200 มม. ด้วยการกลิ้งอย่างน้อย 6 รอบ มาตรฐานคุณภาพยืนยันในตาราง 1
ประเด็นสำคัญของการก่อสร้างชั้นดินป้องกันการแช่แข็ง
ในการก่อสร้างชั้นดินป้องกันการแช่แข็งสำหรับสถานีไฟฟ้าแบบตู้สำเร็จรูปในพื้นที่ภูเขาสูง ควรควบคุมประเด็นสำคัญต่อไปนี้อย่างเคร่งครัด:
การออกแบบฉนวนความร้อนของโครงสร้างตู้
ภายใต้ภูมิอากาศที่หนาวเย็นอย่างรุนแรงในพื้นที่ภูเขาสูง อุณหภูมิภายในตู้อาจต่ำกว่า -30°C ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างรุนแรงต่อการทำงานอย่างเสถียรของอุปกรณ์ในสถานีไฟฟ้า ดังนั้นจำเป็นต้องมีการออกแบบฉนวนความร้อนอย่างเป็นระบบเพื่อรักษาสภาพแวดล้อมภายในตู้ให้คงที่:
ประเด็นสำคัญของการก่อสร้างชั้นดินป้องกันการแช่แข็ง
ในการก่อสร้างชั้นดินป้องกันการแช่แข็งสำหรับสถานีไฟฟ้าแบบตู้สำเร็จรูปในพื้นที่ภูเขาสูง ควรควบคุมประเด็นสำคัญต่อไปนี้อย่างเคร่งครัด:
การออกแบบฉนวนความร้อนของโครงสร้างตู้
ภายใต้ภูมิอากาศที่หนาวเย็นอย่างรุนแรงในพื้นที่ภูเขาสูง อุณหภูมิภายในตู้อาจต่ำกว่า -30°C ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างรุนแรงต่อการทำงานอย่างเสถียรของอุปกรณ์ในสถานีไฟฟ้า ดังนั้นจำเป็นต้องมีการออกแบบฉนวนความร้อนอย่างเป็นระบบเพื่อรักษาสภาพแวดล้อมภายในตู้ให้คงที่:
(1) การเลือกและโครงสร้างของวัสดุฉนวนความร้อน
(2) การปรับปรุงกระบวนการติดตั้ง
เทคโนโลยีการติดตั้งแบบไม่มีแปเหล็กถูกนำมาใช้ในการเชื่อมต่อแผ่นผนังด้านนอก FC แผ่นหินแร่ และโครงเหล็กสี่เหลี่ยม โดยใช้ที่แขวนและตัวยึดพิเศษเพื่อเชื่อมต่อชั้นฉนวนความร้อนกับโครงสร้างอย่างแน่นหนา มาตรการนี้ทำให้ชั้นฉนวนความร้อนมีความต่อเนื่องไร้รอยต่อ หลีกเลี่ยงผลของสะพานความร้อน (การสูญเสียความร้อนผ่านส่วนที่นำความร้อน เช่น โครงเหล็ก) และเพิ่มประสิทธิภาพการฉนวนความร้อนโดยรวม
(3) การจัดการรายละเอียดการปิดผนึก
สำหรับช่องว่างของแผ่นแซนด์วิชหินแร่ ใช้โฟมโพลียูรีเทนที่มีความหนาแน่น ≥30kg/m³ ในการเติมและปิดผนึก ด้วยคุณสมบัติของความยืดหยุ่น การปิดผนึก ความแข็งแรง และไม่ดูดน้ำ วัสดุนี้สร้างสภาพแวดล้อมการปิดผนึกที่มีประสิทธิภาพสูงที่ปลายของแผ่นแซนด์วิช (ด้วยความนำความร้อน ≤0.024W/(m·K)) ลดการสูญเสียความร้อนที่ข้อต่ออย่างมาก รับประกันประสิทธิภาพการฉนวนความร้อนของตู้ในสภาพแวดล้อมภูเขาสูง และเป็นพื้นฐานที่มั่นคงสำหรับการทำงานอย่างเชื่อถือได้ของสถานีไฟฟ้าแบบตู้สำเร็จรูปในสภาพอากาศที่รุนแรง
การติดตั้งสายทำความร้อน
เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านสายทำความร้อน ความต้านทานไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นความร้อน ทำให้สภาวะแวดล้อมโดยรอบอุ่นขึ้น สำหรับสถานีไฟฟ้าแบบตู้สำเร็จรูปในพื้นที่ภูเขาสูง สายทำความร้อนที่มีกำลัง 20-30W/m ถูกเลือกใช้ กำลังนี้รับประกันการส่งออกความร้อนเพียงพอเพื่อรักษาอุณหภูมิภายในตู้ให้อยู่ในช่วงการทำงานที่ปลอดภัยสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า
ก่อนการติดตั้ง จะทำการประเมินความร้อนอย่างละเอียดโดยใช้กฎของ傅里叶热传导定律来计算关键部件和管道的加热需求。数学公式如下：
在热传导计算中：
- Q：所需热量（单位：W）
- k：设备表面材料的导热系数（单位：W/(m·K)）
- A：传热面积（单位：m²）
- ΔT：所需温差（单位：K）
- d：传热路径厚度（单位：m）
对于加热电缆的安装：
- 固定：使用高强度夹具（如不锈钢夹子、塑料扎带）将电缆固定在设备表面/管道上，夹具间距 ≤ 30 cm，以防止位移并确保稳定的热传递。
- 布局密度：在沟槽和关键设备上以 10 cm 间隔布置电缆，提供足够的热量并防止结冰。
- 温度控制：使用 K 型热电偶实时监控电缆运行。结合 PID（比例-积分-微分）算法自动调整功率输出，保持温度在所需范围内。PID 公式如方程 (2) 所示。
通风装置布局
在高山地区，极低的冬季温度可能会影响变电站设备（如变压器、开关柜）的整体稳定性。因此，在侧壁对称安装了 4 台轴流风机（1.5 kW，2000 m³/h），以确保均匀的气流并防止冷凝。
对于预制舱式变电站，采用“顶部进风，底部排风”的通风设计。进风口与出风口的面积比为 1:1.5，以确保足够的空气交换。隔热风管（50 mm 岩棉，0.035 W/(m·K) 导热系数）包裹 0.5 mm 铝箔，减少热量损失并保持室内温度稳定。
双电源供电
为了适应高山气候，使用两台 S13-M-100/10 油浸变压器（100 MVA，10/0.4 kV）作为主变压器。连接到独立电源，它们并联运行（标准条件下负载率为 50%），以减少损耗并延长使用寿命。SCADA 系统实时监控和平衡负载。
在紧急情况下（例如一台变压器故障），ATS 开关在 0.1 秒内完成电源切换，确保无缝负载接管和稳定供电。根据 GB 50052-2009 标准，两台 DKSC-100/10 电抗器（100 A，6% 电抗）限制短路电流不超过 20 kA，防止过电压损坏。
结论
高山地区的极端条件（低温、风、雪）对预制舱式变电站的运行和维护提出了更高的要求。设计和施工必须包括适当的绝缘、加热、防潮措施以及抗风雪设备。
未来的技术进步和实践将进一步优化这些变电站。智能监测和调度系统将增强远程管理和适应极端气候的能力，确保稳定和安全的电力供应。
