Investigación de diseño de subestación inteligente tipo caja basada en el equipo de interruptores GIS de alta tensión de 110 kV
Selección y Configuración de Equipos de Distribución Basada en GIS
Actualmente, los equipos de distribución comúnmente utilizados incluyen principalmente el equipo de interruptores al aire libre de tipo abierto, el GIS tradicional interior, el GIS interior de estructura de acero y el GIS híbrido al aire libre. Este estudio se centra en las subestaciones en Indonesia para completar la configuración de los equipos de distribución para subestaciones prefabricadas inteligentes. La mayoría de las subestaciones en Indonesia se encuentran en áreas con terrenos complejos y densidades de carga bajas. Según el plan actual, la estrategia de desarrollo de la red regional de energía es utilizar las líneas existentes de 110 kV para construir subestaciones de pequeña capacidad. Sobre esta base, los niveles de voltaje se reducirán gradualmente para maximizar la eficiencia de la inversión, mejorar la utilización del equipo y minimizar el papel de las subestaciones de 35 kV. Las subestaciones en la red eléctrica de Indonesia son de gran escala, con altos costos de inversión y equipos, y largos períodos de construcción, lo que requiere una optimización adicional en la selección de equipos y la configuración de los equipos de distribución.
El GIS híbrido al aire libre integra interruptores y seccionadores, utilizando barras colectoras convencionales. Esta disposición puede reducir el número de flanges y equipos al aire libre, aumentando así la eficiencia del uso del suelo en la zona objetivo. Además, el enfoque del GIS híbrido puede disminuir la dificultad de instalación y expansión, facilitando la instalación y mantenimiento de equipos en regiones montañosas y de colinas.
Indonesia tiene un clima relativamente húmedo con numerosos días de alta temperatura, por lo que el control inteligente tiene requisitos ambientales estrictos. En Indonesia, los gabinetes de control inteligente generalmente requieren un rango de humedad relativa del 5% al 95% y un rango de temperatura ambiente de -5 a 55°C, sin permitir la formación de escarcha. Para lograr el enfriamiento, deshumidificación y prevención de condensación de los gabinetes de control al aire libre, este estudio adopta el método de instalar aires acondicionados en el lado de las puertas de los gabinetes.
En cuanto a la conexión eléctrica principal, es esencial garantizar su confiabilidad, eficiencia económica, operatividad y seguridad durante la operación. Para la conexión de una sola barra de 110 kV, se adopta comúnmente la conexión por secciones o la conexión tipo puente. La conexión tipo puente tiene menos interruptores y menor inversión, pero su confiabilidad es inferior a la de la conexión por secciones, y la dificultad de modificación y expansión posteriores es mayor. Por lo tanto, este estudio utiliza interruptores para dividir la barra. Con este método de conexión por secciones, cuando falla una sección de la barra, las secciones restantes aún pueden suministrar energía normalmente, asegurando un servicio confiable. La conexión por secciones de una sola barra es relativamente simple, con menos componentes de equipo, y ofrece alta confiabilidad y operatividad. La estructura de la subestación inteligente mejorada se muestra en la Figura 1.
Los transformadores dentro de la subestación, como equipo crucial, juegan un papel vital en la detección de estado. Considerando los costos de inversión y los escenarios de aplicación, el esquema de diseño de este estudio emplea un dispositivo de monitoreo en línea de gases disueltos en aceite y un dispositivo de detección de corriente de tierra del núcleo en línea. El primero, con un precio de aproximadamente 200,000 RMB por conjunto, se utiliza para detectar la aislación interna del transformador principal, mientras que el segundo es para la detección en tiempo real de la corriente de tierra del núcleo. Ambas tecnologías son relativamente maduras y ampliamente aplicadas.
El transformador principal inteligente integra equipos primarios y secundarios, permitiéndole realizar la percepción de estado y la evaluación del estado operativo. Para facilitar el mantenimiento diario y los turnos de monitoreo y reducir la carga de trabajo de mantenimiento, se elige la refrigeración por circulación natural de aceite y aire para el transformador principal.
El GIS híbrido integra interruptores, interruptores y transformadores de corriente en una sola entidad, simplificando el proceso de reconstrucción al reducir el número de equipos. Además, el GIS híbrido al aire libre presenta un menor número de equipos y flanges, ofreciendo mayor confiabilidad y resistencia a la corrosión, lo que lo hace funcionar bien en la zona objetivo. El voltaje nominal del equipo de bahía del GIS híbrido es de 126 kV, y la corriente nominal es de 2000 A. Cada equipo de bahía del GIS híbrido comprende sensores, gabinetes de control inteligente y dispositivos de detección del estado del gas SF₆. Estos dispositivos pueden detectar el estado del gas y el estado operativo del equipo, permitiendo funciones de medición digital, intercambio de información y consulta de estado para los interruptores de alta tensión.
Optimización de Equipos de Distribución y Diseño General
En el diseño original de la subestación inteligente, la configuración de los gabinetes terminales inteligentes y los gabinetes de control y recolección del GIS híbrido siguió el esquema de asignar dos gabinetes por bahía. Sin embargo, este enfoque resulta en numerosos bucles de cruce de cables, lo cual no es favorable para el mantenimiento diario. Por lo tanto, los circuitos secundarios de los terminales inteligentes y los mecanismos del GIS híbrido pueden integrarse. Combinando paneles de control, bucles de bloqueo, bucles antidesconexión y bucles fuera de fase en el terminal inteligente, se puede lograr un diseño integrado.
La optimización de los gabinetes de control inteligente abarca principalmente tres aspectos: (1) Simplificar el circuito reemplazando la lógica de cableado duro con la lógica de software local del terminal; (2) Habilitar la comunicación entre bahías a través de terminales inteligentes y tecnología orientada a eventos de la subestación; (3) Adoptar un diseño integrado de terminales inteligentes y circuitos de control de interruptores para reducir funciones redundantes como bucles de bloqueo de presión. Además de estas mejoras en el circuito, se mantiene la disposición de los terminales inteligentes dentro de los gabinetes de control y recolección originales, y se optimizan las conexiones entre los gabinetes de control y recolección inteligentes y el equipo correspondiente.
El esquema de diseño propuesto en este estudio adopta el modelo de cabaña prefabricada modular. La disposición de la subestación debe basarse en las condiciones naturales y los requisitos de ingeniería de la zona objetivo, y debe poseer ventajas como seguridad, confiabilidad, amigabilidad con el medio ambiente, protección contra incendios y operación y mantenimiento convenientes. En la zona objetivo, los equipos de distribución de 110 kV y los transformadores principales se disponen de norte a sur. Para cumplir con los requisitos de transporte, se establece un pasillo de bomberos circular dentro de la subestación, y la instalación de equipos en el sitio utiliza una disposición mínima. A través de esta disposición, se puede ahorrar el 18% del área de tierra. La disposición general de los equipos de distribución en el esquema de diseño se muestra en la Figura 2.
En cuanto a la optimización de las dimensiones de distribución
El esquema de diseño propuesto en la investigación dispone el equipo del GIS híbrido en dos filas, y el equipo de distribución de 110 kV utiliza barras colectoras de soporte de aleación de aluminio-magnesio. La disposición de la bahía por secciones típica generalmente presenta una disposición lineal de barras colectoras de tubo flexible en ambos extremos, lo que ocupa una gran cantidad de espacio lateral. Gracias a la integración del equipo del GIS híbrido, su disposición es más compacta. La investigación establece la dimensión lateral de la bahía por secciones en 8 m, lo que es 2 m más corto que antes. La longitud longitudinal estándar es de 39 m. Para optimizar la dimensión longitudinal, el esquema propuesto utiliza equipos integrados, elimina la estructura de entrada y modifica el marco de barras colectoras, reduciendo así la ocupación del espacio longitudinal. A través de estas dos mejoras, la dimensión longitudinal en el esquema es de 25.2 m, 13.8 m más corta que la longitud estándar, reduciendo efectivamente el espacio ocupado por el equipo.
Análisis de Rendimiento y Costo de las Subestaciones Prefabricadas Inteligentes
Una vez completada la construcción de la subestación prefabricada, se deben llevar a cabo los pasos relevantes de puesta en marcha para garantizar que las funciones de cada dispositivo cumplan con los requisitos de diseño y permitan la comunicación normal entre los dispositivos y el software. El experimento registra y analiza datos como los valores de corriente, voltaje, potencia activa, temperatura del transformador y factor de potencia de cada interruptor en la subestación prefabricada para asegurar el funcionamiento estable del equipo de la subestación. Entre ellos, los valores de temperatura del transformador en diferentes periodos de tiempo se muestran en la Figura 3.
Al observar la Figura 3(a), se puede encontrar que los valores de temperatura de la fase A, la fase B y la fase C permanecen en un estado relativamente estable. La temperatura de la fase B es la más alta, alcanzando 43.6 °C desde las 8:31 hasta las 8:32; la temperatura de la fase A varía entre 42.0-43.2 °C; y la temperatura de la fase C permanece alrededor de 42.5 °C. En la Figura 3(b), la variación en los valores de temperatura del transformador recopilados por la tarde también es relativamente pequeña. Debido a los cambios ambientales, los valores generales de temperatura de la fase A, la fase B y la fase C son más altos que los valores de medición de la mañana, pero aún están dentro del rango de temperatura normal. A las 14:32, el valor de temperatura de la fase B es de 44.1 °C, y en ese momento, los valores de temperatura de la fase A y la fase C son de 42.9 °C y 42.6 °C, respectivamente. A lo largo de todo el período de medición, la temperatura más baja de la fase C es de 42.2 °C y la más alta es de 43.7 °C, mientras que la temperatura de la fase A fluctúa dentro del rango de 42.6-43.8 °C.
El análisis de los datos de prueba en el sitio muestra que los datos de la subestación prefabricada cumplen con los requisitos de diseño y se ajustan a los estándares de aceptación relevantes. En términos de utilidad económica, basándose en la teoría del costo del ciclo de vida, el experimento analiza y calcula los diversos costos del equipo de distribución de 110 kV, y selecciona el esquema de equipo de interruptor aislado por aire para la comparación. Los resultados de la comparación se muestran en la Figura 4.
En la Figura 4, el costo de inversión inicial para el esquema de diseño del GIS híbrido optimizado es de 2.413 millones de RMB, que es 0.133 millones de RMB más alto que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire. Esto se debe principalmente a que el costo de adquisición de equipos del esquema de diseño del GIS híbrido es mayor que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire, y el costo de la ingeniería de instalación también es ligeramente mayor.
Durante la fase de operación y mantenimiento, la proporción de costos requeridos es relativamente pequeña. Dado que la subestación del esquema de diseño del GIS híbrido optimizado es una subestación sin personal, solo se necesitan inspecciones manuales regulares en pequeñas cantidades, lo que reduce los costos de operación y mantenimiento diarios. Por lo tanto, el costo de operación y mantenimiento es mucho menor que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire.
La probabilidad anual de fallo del esquema de diseño del GIS híbrido optimizado se ha reducido significativamente, lo que resulta en una notable disminución de los costos de mantenimiento. Además, su costo de demolición es solo el 89% del del esquema de equipo de interruptor aislado por aire. Considerando todos los factores, el valor presente del costo del ciclo de vida del esquema de diseño del GIS híbrido optimizado es 0.549 millones de RMB menor que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire. Además, el esquema de subestación inteligente de 110 kV GIS es superior al esquema de equipo de interruptor aislado por aire convencional.
Conclusión
Para conservar los recursos de tierras urbanas, acortar el período de construcción y mejorar la eficiencia económica y confiabilidad de las subestaciones prefabricadas, esta investigación propone un esquema de diseño de GIS híbrido al aire libre que integra interruptores y seccionadores. Al optimizar el circuito y adoptar la conexión por secciones de una sola barra, y optimizar la disposición general, se reduce el número de fallos y se disminuyen los costos de mantenimiento.
Los resultados de la prueba muestran que durante la recolección de la temperatura del transformador, los valores de temperatura de la fase A, la fase B y la fase C permanecen relativamente estables. Por la mañana, la temperatura de la fase A varía entre 42.0-43.2 °C, mientras que la de la fase C se mantiene alrededor de 42.5 °C. Por la tarde, la temperatura de la fase C oscila entre un mínimo de 42.2 °C y un máximo de 43.7 °C, y la temperatura de la fase A fluctúa entre 42.6 °C y 43.8 °C. Los datos de la subestación prefabricada cumplen con los requisitos de diseño y se ajustan a los estándares de aceptación relevantes.
En el análisis del costo del ciclo de vida, aunque el costo de inversión inicial del esquema de diseño del GIS híbrido optimizado es de 2.413 millones de RMB, 0.133 millones de RMB más alto que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire, el esquema de diseño del GIS híbrido optimizado solo requiere inspecciones manuales regulares en pequeñas cantidades. Esto reduce los costos de operación y mantenimiento diarios, haciendo que el costo de operación y mantenimiento sea mucho menor que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire, y reduciendo significativamente el costo de mantenimiento. Los cálculos muestran que el valor presente del costo del ciclo de vida del esquema de diseño del GIS híbrido optimizado es 0.549 millones de RMB menor que el del esquema de equipo de interruptor aislado por aire, demostrando que el esquema de subestación inteligente de 110 kV GIS optimizado es superior al esquema de equipo de interruptor aislado por aire convencional.
Sin embargo, esta investigación solo analiza y optimiza el diseño principal de la subestación. En el futuro, se necesita realizar un diseño inteligente más completo para las subestaciones secundarias, considerando integralmente la comunicación y la construcción de tierras.
