Phân tích vận hành của trạm biến áp vỏ bọc sẵn trong điều kiện khí hậu cực lạnh
Trong sự đa dạng về khí hậu toàn cầu, việc xây dựng nguồn điện ở vùng núi cao phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật và môi trường. Khí hậu cực đoan, địa chất phức tạp, nhiệt độ mùa đông thấp kéo dài, cùng với băng, tuyết và bão, gây áp lực lên sự ổn định của thiết bị điện và việc xây dựng cơ sở điện (lịch trình, chi phí, bảo trì). Các trạm biến áp truyền thống tại hiện trường, với thời gian xây dựng dài và khả năng thích ứng kém, không thể đáp ứng nhu cầu điện nhanh chóng và ổn định của các vùng núi.
Các trạm biến áp cabin lắp ghép, được thiết kế theo mô-đun và sản xuất sẵn tại nhà máy, tích hợp các thiết bị chính (công tắc điện áp cao, biến áp, hệ thống điều khiển), cho phép lắp ráp nhanh chóng tại hiện trường sau khi vận chuyển. Chúng giảm sự phụ thuộc vào môi trường, thể hiện giá trị độc đáo trong các khu vực núi cao khắc nghiệt và có thời gian gấp rút. Nghiên cứu này nhằm mục đích thúc đẩy nâng cấp hệ thống điện ở vùng núi và phát triển nguồn điện tương tự trên toàn cầu.
Tổng Quan Dự Án
Dự án nằm ở một vùng núi cao phía tây nam Trung Quốc: nhiệt độ trung bình hàng năm là - 8°C, - 30°C vào mùa đông, 5+ tháng có băng tuyết, lớp đất đóng băng sâu hơn 1m. Tại độ cao 3600m, nó bao gồm 6000m2(1200m2) diện tích xây dựng), với tổng đầu tư ¥55 triệu (¥33 triệu cho thiết bị, ¥22 triệu cho xây dựng).
Nó có 2×120MVA biến áp chính (đáp ứng tải cao vào mùa đông), 8×10kV tủ phân phối (để phân phối điện), và 3km cáp chống cháy, chống đóng băng (phù hợp với điều kiện lạnh). Với chu kỳ thiết kế - xây dựng 8 tháng, nó nhằm đảm bảo nguồn điện ổn định và đáng tin cậy trong điều kiện cực đoan.
Đặt Lớp Đất Chống Đông
Khí lạnh và chu kỳ đóng băng - tan băng ở vùng núi cao có nguy cơ làm đóng băng đất, đe dọa nền móng trạm biến áp và cabin. Để giải quyết vấn đề này, GCL (độ dẫn nhiệt < 0.5W(m·K), cách nhiệt tốt) được sử dụng. Lớp dày 0.8m ngăn chặn hiện tượng heo đất.
Đối với điều kiện lạnh cực đoan: trước tiên, máy xúc CAT 336E loại bỏ lớp đất bề mặt đã đóng băng hoặc bị ô nhiễm. Sau đó, sỏi 5–20mm thay thế (dày 300mm) để tăng khả năng chịu tải và thoát nước. Tiếp theo là lớp GCL hai lớp dày 400mm (≥200mm chồng, kiểm tra khe hở). Một lớp bảo vệ bằng sỏi 5–15mm dày 100mm phủ lên trên để bảo vệ GCL trong quá trình sử dụng. Trong quá trình xây dựng, lớp này được cuộn thành các đoạn dày 200mm, với ≥6 lượt. Tiêu chuẩn chất lượng được liệt kê trong Bảng 1
Điểm Mấu Chốt trong Xây Dựng Lớp Đất Chống Đông
Trong quá trình xây dựng lớp đất chống đông cho các trạm biến áp cabin lắp ghép ở vùng núi cao, các điểm mấu chốt sau cần được kiểm soát chặt chẽ:
Thiết Kế Cách Nhiệt Của Cấu Trúc Cabin
Trong điều kiện khí hậu lạnh khắc nghiệt ở vùng núi cao, nhiệt độ bên trong cabin có thể giảm xuống dưới -30°C, tạo ra thách thức nghiêm trọng đối với hoạt động ổn định của thiết bị trong trạm biến áp. Do đó, cần thiết kế cách nhiệt hệ thống để duy trì môi trường bên trong cabin ổn định:
Điểm Mấu Chốt trong Xây Dựng Lớp Đất Chống Đông
Trong quá trình xây dựng lớp đất chống đông cho các trạm biến áp cabin lắp ghép ở vùng núi cao, các điểm mấu chốt sau cần được kiểm soát chặt chẽ:
Thiết Kế Cách Nhiệt Của Cấu Trúc Cabin
Trong điều kiện khí hậu lạnh khắc nghiệt ở vùng núi cao, nhiệt độ bên trong cabin có thể giảm xuống dưới -30°C, tạo ra thách thức nghiêm trọng đối với hoạt động ổn định của thiết bị trong trạm biến áp. Do đó, cần thiết kế cách nhiệt hệ thống để duy trì môi trường bên trong cabin ổn định:
(1) Lựa Chọn và Cấu Trúc Của Vật Liệu Cách Nhiệt
(2) Tối Ưu Hóa Quy Trình Lắp Đặt
Công nghệ treo khô không cần thanh kèo được áp dụng để kết nối tấm tường ngoài FC, tấm bông đá và khung thép vuông. Sử dụng các móc và vít đặc biệt để kết hợp chặt chẽ lớp cách nhiệt với khung cấu trúc. Biện pháp này thực hiện tính liên tục liền mạch của lớp cách nhiệt, tránh hiệu ứng cầu nhiệt (mất nhiệt thông qua các bộ phận dẫn nhiệt như khung kim loại) và cải thiện hiệu quả cách nhiệt tổng thể.
(3) Xử Lý Chi Tiết Kín Đóng
Đối với khớp lưỡi và rãnh của tấm bông đá, sử dụng polyurethane bọt với mật độ ≥30kg/m³ để điền và kín. Với đặc tính dẻo, kín khí, độ bền cao và không hút nước, vật liệu này tạo ra môi trường kín hiệu quả ở cả hai đầu tấm (với độ dẫn nhiệt ≤0.024W/(m·K)), giảm đáng kể mất nhiệt ở các mối nối, đảm bảo hiệu suất cách nhiệt của cabin trong môi trường núi cao, và đặt nền tảng vững chắc cho hoạt động đáng tin cậy của trạm biến áp cabin lắp ghép trong điều kiện khí hậu cực đoan.
Lắp Đặt Dây Sưởi
Khi dòng điện đi qua dây sưởi, điện trở của nó chuyển đổi thành nhiệt, do đó làm ấm môi trường xung quanh. Đối với cabin trạm biến áp lắp ghép ở vùng núi cao, chọn dây sưởi có công suất 20–30W/m. Công suất này đảm bảo đủ nhiệt lượng để duy trì nhiệt độ bên trong trong phạm vi an toàn cho thiết bị điện.
Trước khi lắp đặt, một đánh giá nhiệt chi tiết được thực hiện sử dụng Định luật Truyền Nhiệt Fourier để tính toán yêu cầu nhiệt cho các thành phần và đường ống quan trọng. Công thức toán học như sau:
Trong các phép tính truyền nhiệt:
Đối với việc lắp đặt dây sưởi:
Gắn: Sử dụng kẹp có độ bền cao (ví dụ: kẹp thép không gỉ, dây nhựa) để cố định dây vào bề mặt thiết bị/đường ống, với khoảng cách kẹp ≤ 30 cm để ngăn di chuyển và đảm bảo truyền nhiệt ổn định.
Mật Độ Bố Trí: Sắp xếp dây cách nhau 10 cm trong các hào và trên thiết bị quan trọng để cung cấp đủ nhiệt và ngăn ngừa đóng băng.
Kiểm Soát Nhiệt Độ: Sử dụng cặp nhiệt điện K-type để giám sát hoạt động của dây sưởi theo thời gian thực. Kết hợp với thuật toán PID (proportional-integral-derivative) để tự động điều chỉnh công suất đầu ra, duy trì nhiệt độ trong phạm vi yêu cầu. Công thức PID được hiển thị trong Phương trình (2).
Bố Trí Thiết Bị Thông Gió
Ở vùng núi cao, nhiệt độ mùa đông cực kỳ thấp có thể ảnh hưởng đến thiết bị trạm biến áp (ví dụ: biến áp, thiết bị đóng cắt) và sự ổn định tổng thể. Do đó, 4 quạt trục (1.5 kW, (2000 m3/h) được lắp đặt đối xứng trên các bức tường bên để đảm bảo luồng không khí đều và ngăn ngừa ngưng tụ.
Đối với các trạm biến áp cabin lắp ghép, thiết kế thông gió "hút trên, thổi dưới" được sử dụng. Tỷ lệ diện tích giữa cửa hút và cửa thổi là 1:1.5 để đảm bảo đủ lần thay đổi không khí. Ống thông gió cách nhiệt (bông đá dày 50 mm, độ dẫn nhiệt 0.035 W/(m·K) và bọc nhôm dày 0.5 mm) giảm thiểu mất nhiệt và duy trì nhiệt độ ổn định bên trong.
Hai Nguồn Điện
Để thích ứng với khí hậu vùng núi, hai biến áp ngâm dầu S13-M-100/10 (100 MVA, 10/0.4 kV) được sử dụng làm biến áp chính. Kết nối với các nguồn điện độc lập, chúng hoạt động song song (tải 50% dưới điều kiện tiêu chuẩn) để giảm tổn thất và kéo dài tuổi thọ. Hệ thống SCADA giám sát và cân bằng tải theo thời gian thực.
Trong trường hợp khẩn cấp (ví dụ: một biến áp hỏng), công tắc ATS hoàn thành chuyển đổi nguồn điện trong vòng 0.1 giây, đảm bảo tiếp nhận tải liền mạch và cung cấp điện ổn định. Theo GB 50052-2009, hai reactor DKSC-100/10 (100 A, 6% phản kháng) hạn chế dòng ngắn mạch ≤ 20 kA, ngăn ngừa hư hại do quá áp.
Kết Luận
Điều kiện khắc nghiệt ở vùng núi cao (nhiệt độ thấp, gió, tuyết) đòi hỏi các tiêu chuẩn cao hơn cho hoạt động và bảo dưỡng trạm biến áp cabin lắp ghép. Thiết kế và xây dựng phải bao gồm cách nhiệt phù hợp, sưởi ấm, biện pháp chống ẩm và thiết bị chống gió tuyết.
Các tiến bộ công nghệ và thực tiễn trong tương lai sẽ tiếp tục tối ưu hóa các trạm biến áp này. Các hệ thống giám sát và điều độ thông minh sẽ nâng cao quản lý từ xa và khả năng thích ứng với khí hậu cực đoan, đảm bảo cung cấp điện ổn định và an toàn.
