Estació de transformació intel·ligent basada en el disseny de barrejadores GIS d'alta tensió de 110 kV

Selecció i configuració d'equips de distribució basada en GIS

Actualment, els equips de distribució més utilitzats inclouen principalment l'equip de commutació al aire exterior, el GIS tradicional interior, el GIS interior d'estructura metàl·lica i el GIS híbrid exterior. Aquest estudi es centra en les subestacions d'Indonèsia per completar la configuració d'equips de distribució per a subestacions prefabricades intel·ligents. La major part de les subestacions d'Indonèsia es troben en zones amb terrenys complexos i densitats de càrrega baixes. Segons el pla actual, la estratègia de desenvolupament de la xarxa elèctrica regional és utilitzar les línies existents de 110 kV per construir subestacions de petita capacitat. Sobre aquesta base, els nivells de tensió s'aniran reduint gradualment per maximitzar l'eficiència de la inversió, augmentar l'utilització dels equips i minimitzar el paper de les subestacions de 35 kV. Les subestacions de la xarxa elèctrica indonesa són de gran escala, amb costos d'inversió i d'equipament elevats i períodes de construcció llargs, necessitant una optimització addicional en la selecció d'equips i la configuració d'equips de distribució.

El GIS híbrid exterior integra interrumptors i disjunctors, utilitzant barras de bus convencionals. Aquesta disposició pot reduir el nombre de flanges i d'equips exteriors, augmentant així l'eficiència de l'ús de la terra en la zona objectiu. A més, l'enfocament del GIS híbrid pot reduir la dificultat d'instal·lació i ampliació, facilitant la instal·lació i manteniment dels equips en regions muntanyoses i collseroles.

L'Indonèsia té un clima relativament humit amb molts dies de temperatures altes, per tant, el control intel·ligent té requisits ambientals estrictes. En Indonèsia, els quadres de control intel·ligents generalment requereixen un rang d'humitat relativa del 5% - 95% i un rang de temperatura ambiental de -5 - 55°C, sense permetre la formació de gel. Per aconseguir la refrigeració, deshumidificació i prevenció de condensació dels quadres de control exterior, aquest estudi adopta el mètode d'instal·lar aires acondicionats al costat de les portes dels quadres.

En referència a la caberia elèctrica principal, és essencial assegurar-ne la fiabilitat, eficiència econòmica, operativitat i seguretat durant l'operació. Per a la caberia simple de 110 kV, sovint s'adopten la caberia seccionada o la caberia de pont. La caberia de pont té menys interrumptors i menor inversió, però la seva fiabilitat és inferior a la de la caberia seccionada, i la dificultat de modificació i ampliació posteriors és més elevada. Per tant, aquest estudi utilitza interrumptors per seccionar la barra de bus. Amb aquest mètode de caberia seccionada, quan falla una secció de la barra, les altres seccions encara poden suministrar energia normalment, assegurant un servei fiable. La caberia simple seccionada és relativament simple, amb menys components d'equipament, i ofereix alta fiabilitat i operativitat. La estructura de la subestació intel·ligent millorada es mostra a la Figura 1.

Els transformadors dins de la subestació, com a equipament crucial, juguen un paper vital en la detecció d'estat. Considerant els costos d'inversió i els escenaris d'aplicació, el disseny d'aquest estudi utilitza un dispositiu de monitorització en línia de gasos dissolts en oli i un dispositiu de detecció de corrent de massa de ferro en línia. L'anterior, amb un preu d'aproximadament 200.000 RMB per conjunt, s'utilitza per detectar l'aislament intern del transformador principal, mentre que l'últim és per a la detecció en temps real de la corrent de massa de ferro. Ambdues tecnologies són relativament madures i ampliament aplicades.

El transformador principal intel·ligent integra equips primaris i secundaris, permetent-li realitzar la percepció d'estat i l'avaluació de l'estat operatiu. Per facilitar la mantenedora diària i la vigilància, i reduir la càrrega de treball de manteniment, s'ha triat la refrigeració per circulació natural d'oli i aire com a mètode de refrigeració pel transformador principal.

El GIS híbrid integra interrumptors, commutadors i transformadors de corrent en una sola entitat, simplificant el procés de reconstrucció mitjançant la reducció del nombre d'equips. A més, el GIS híbrid exterior presenta un nombre menor d'equips i flanges, oferint major fiabilitat i resistència a la corrosió, el que el fa rendir bé en la zona objectiu. La tensió nominal de l'equip de baia del GIS híbrid és de 126 kV, i la corrent nominal és de 2000 A. Cada equip de baia del GIS híbrid consta de sensors, quadres de control intel·ligents i dispositius de detecció de l'estat del gas SF₆. Aquests dispositius poden detectar l'estat del gas i l'estat operatiu de l'equip, permetent funcions de mesura digital, intercanvi d'informació i consulta d'estat per als commutadors d'alta tensió.

Optimització d'equips de distribució i disposició general

En el disseny original de la subestació intel·ligent, la configuració dels quadres terminals intel·ligents i els quadres de control i recopilació del GIS híbrid seguïa la disposició d'assignar dos quadres per baia. No obstant això, aquest enfocament resulta en nombrosos bucles de creuament de cables, el que no és favorable per a la mantenedora diària. Per tant, es poden integrar els circuits secundaris dels terminals intel·ligents i mecanismes del GIS híbrid. Combinant panells de control, bucles d'interbloqueig, bucles antirebot i bucles desfasats al terminal intel·ligent, es pot aconseguir un disseny integrat.

L'optimització dels quadres de control intel·ligents abasta principalment tres aspectes: (1) Simplificar el circuit substituint la lògica de cablejat rígid per la lògica de programari del terminal local; (2) Habilitar la comunicació entre baias mitjançant terminals intel·ligents i tecnologia orientada a objectes d'esdeveniments de la subestació; (3) Adoptar un disseny integrat de terminals intel·ligents i circuits de control d'interrumpirs per reduir funcions redundants com els bucles d'interbloqueig de pressió. A més d'aquests millores de circuit, es manté la disposició dels terminals intel·ligents dins dels quadres originals de control i recopilació, i s'optimitzen les connexions entre els quadres de control i recopilació intel·ligents i l'equipament corresponent.

El disseny proposat en aquest estudi adopta el model de cabina prefabricada modular. La disposició de la subestació ha de basar-se en les condicions naturals i els requisits d'enginyeria de la zona objectiu, i ha de tenir avantatges com la seguretat, la fiabilitat, la respectuositat ambiental, la protecció contra incendis i la facilitat d'operació i manteniment. A la zona objectiu, l'equipament de distribució de 110 kV i els transformadors principals s'organitzen de nord a sud. Per complir amb els requisits de transport, s'estableix un pas de bomberos circular dins de la subestació, i la instal·lació de l'equipament al lloc utilitza una disposició mínima. A través d'aquesta disposició, es pot estalviar un 18% de la superfície terrestre. La disposició general de l'equipament de distribució en el disseny proposat es mostra a la Figura 2.

En termes d'optimització de les dimensions de distribució

El disseny proposat en la recerca disposa l'equipament del GIS híbrid en dues files, i l'equipament de distribució de 110 kV utilitza barras de bus de suport d'alumini-magnesi. La disposició típica de la baia seccionada sol presentar una disposició lineal de barras de bus flexibles als dos extrems, ocupant una gran quantitat d'espai lateral. Gràcies a la integració de l'equipament del GIS híbrid, la seva disposició és més compacta. La recerca estableix la dimensió lateral de la baia seccionada a 8 m, que és 2 m més curt que abans. La longitud longitudinal estàndard és de 39 m. Per optimitzar la dimensió longitudinal, el proposta utilitza equipament integrat, elimina l'estructura d'entrada i modifica l'estructura de la barra de bus, reduint així l'ocupació de l'espai longitudinal. A través d'aquestes dues millorar, la dimensió longitudinal en el proposta és de 25,2 m, 13,8 m més curt que la longitud estàndard, reduint efectivament l'espai ocupat per l'equipament.

Anàlisi de rendiment i costos de les subestacions prefabricades intel·ligents

Un cop s'ha completat la construcció de la subestació prefabricada, cal realitzar els passos de posta en marxa pertinents per assegurar que les funcions de cada dispositiu compleixin els requisits de disseny i permetin la comunicació normal entre els dispositius i el programari. L'experiment registra i analitza dades com els valors de corrent, tensió, potència activa, temperatura del transformador i factor de potència de cada commutador a la subestació prefabricada per assegurar el funcionament estable de l'equipament de la subestació. Entre aquests, els valors de temperatura del transformador en diferents períodes de temps es mostren a la Figura 3.

Observant la Figura 3(a), es pot veure que els valors de temperatura de les fases A, B i C romanen en un estat relativament estable. La temperatura de la fase B és la més alta, arribant a 43,6 °C entre les 8:31 i les 8:32; la temperatura de la fase A varia entre 42,0 - 43,2 °C; i la temperatura de la fase C roman al voltant de 42,5 °C. A la Figura 3(b), la variació en els valors de temperatura del transformador recollits a la tarda també és relativament petita. Degut a canvis ambientals, els valors totals de temperatura de les fases A, B i C són més alts que els valors de la mesura matinal, però encara es troben dins del rang de temperatura normal. A les 14:32, el valor de temperatura de la fase B és de 44,1 °C, i en aquest moment, els valors de temperatura de les fases A i C són de 42,9 °C i 42,6 °C respectivament. Durant tot el període de mesura, la temperatura més baixa de la fase C és de 42,2 °C i la més alta és de 43,7 °C, mentre que la temperatura de la fase A fluctua dins del rang de 42,6 - 43,8 °C.

L'anàlisi de les dades de prova in situ mostra que les dades de la subestació prefabricada compleixen els requisits de disseny i s'ajusten a les normes d'acceptació pertinentes. En termes d'utilitat econòmica, basant-se en la teoria del cost cicle de vida, l'experiment analitza i calcula els diversos costos de l'equipament de distribució de 110 kV, i selecciona l'esquema de commutació al aire per a la comparació. Els resultats de la comparació es mostren a la Figura 4.

A la Figura 4, el cost inicial d'inversió per a l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat és de 2,413 milions de RMB, que és 0,133 milions de RMB més alt que l'esquema de commutació al aire. Això es deu principalment al fet que el cost d'adquisició d'equips de l'esquema de disseny del GIS híbrid és més alt que l'esquema de commutació al aire, i el cost de l'enginyeria d'instal·lació també és lleugerament superior.

Durant la fase d'operació i manteniment, la proporció de cost requerida és relativament petita. Ja que la subestació de l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat és una subestació sense personal, només calen petites inspeccions regulars, reduint així els costos diaris d'operació i manteniment. Per tant, el cost d'operació i manteniment és molt més baix que l'esquema de commutació al aire.

La probabilitat anual de fallada de l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat s'ha reduït significativament, resultant en una notable disminució dels costos de manteniment. A més, el seu cost de demolició només és el 89% del cost de l'esquema de commutació al aire. Considerant tots els factors, el valor actual del cost cicle de vida de l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat és 0,549 milions de RMB més baix que l'esquema de commutació al aire. A més, l'esquema de la subestació intel·ligent de 110 kV GIS és superior a l'esquema de commutació al aire convencional.

Conclusió

Per conservar els recursos de terra urbana, acurtir el període de construcció i augmentar l'eficiència econòmica i la fiabilitat de les subestacions prefabricades, aquesta recerca proposa un esquema de disseny del GIS híbrid exterior que integra interrumptors i disjunctors. Mitjançant l'optimització del circuit i l'adopció de la caberia simple seccionada, i l'optimització de la disposició general, es redueix el nombre de fallades i el cost de manteniment.

Els resultats de la prova mostren que durant la recol·lecció de la temperatura del transformador, els valors de temperatura de les fases A, B i C romanen relativament estables. Al matí, la temperatura de la fase A varia entre 42,0 - 43,2 °C, mentre que la de la fase C roman al voltant de 42,5 °C. A la tarda, la temperatura de la fase C varia d'un mínim de 42,2 °C a un màxim de 43,7 °C, i la temperatura de la fase A fluctua entre 42,6 °C i 43,8 °C. Les dades de la subestació prefabricada compleixen els requisits de disseny i s'ajusten a les normes d'acceptació pertinentes.

En l'anàlisi del cost cicle de vida, encara que el cost inicial d'inversió de l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat és de 2,413 milions de RMB, 0,133 milions de RMB més alt que l'esquema de commutació al aire, l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat només requereix petites inspeccions regulars. Això redueix els costos diaris d'operació i manteniment, fent que el cost d'operació i manteniment sigui molt més baix que l'esquema de commutació al aire, i reduint significativament el cost de manteniment. Els càlculs mostren que el valor actual del cost cicle de vida de l'esquema de disseny del GIS híbrid optimitzat és 0,549 milions de RMB més baix que l'esquema de commutació al aire, demostrant que l'esquema de la subestació intel·ligent de 110 kV GIS optimitzat és superior a l'esquema de commutació al aire convencional.

No obstant això, aquesta recerca només analitza i optimitza el disseny de la subestació principal. En el futur, caldrà realitzar un disseny intel·ligent més complet per a les subestacions secundàries, considerant de manera integral la comunicació i la construcció de terra.