Recherche de conception de sous-station intelligente en boîtier basée sur l'appareillage GIS haute tension 110 kV
Sélection et installation des équipements de distribution basées sur le GIS
Actuellement, les équipements de distribution couramment utilisés comprennent principalement les postes de sectionnement extérieurs à air, les GIS traditionnels intérieurs, les GIS intérieurs en structure d'acier et les GIS hybrides extérieurs. Cette étude vise les sous-stations en Indonésie pour réaliser l'installation des équipements de distribution pour les sous-stations préfabriquées intelligentes. La plupart des sous-stations en Indonésie sont situées dans des zones à terrain complexe et à faible densité de charge. Selon le plan actuel, la stratégie de développement du réseau régional est d'utiliser les lignes existantes de 110 kV pour construire des sous-stations de petite capacité. Sur cette base, les niveaux de tension seront progressivement réduits afin d'optimiser l'efficacité des investissements, d'améliorer l'utilisation des équipements et de minimiser le rôle des sous-stations de 35 kV. Les sous-stations du réseau électrique indonésien sont de grande échelle, avec des coûts d'investissement et d'équipement élevés et des périodes de construction longues, nécessitant une optimisation supplémentaire dans la sélection et l'installation des équipements.
Le GIS hybride extérieur intègre les disjoncteurs et les interrupteurs, en utilisant des barres de liaison conventionnelles. Cette configuration peut réduire le nombre de brides et d'équipements extérieurs, augmentant ainsi l'efficacité de l'utilisation des terres dans la zone cible. De plus, l'approche du GIS hybride peut réduire la difficulté d'installation et d'extension, facilitant l'installation et la maintenance des équipements dans les régions montagneuses et collinaires.
L'Indonésie a un climat relativement humide avec de nombreux jours de températures élevées, ce qui impose des exigences environnementales strictes pour le contrôle intelligent. En Indonésie, les armoires de contrôle intelligentes requièrent généralement un taux d'humidité relatif compris entre 5% et 95% et une plage de température ambiante de -5 à 55°C, sans formation de givre autorisée. Pour assurer le refroidissement, la déshumidification et la prévention de la condensation des armoires de contrôle extérieures, cette étude adopte la méthode d'installation de climatiseurs sur le côté des portes des armoires.
Concernant le câblage électrique principal, il est essentiel de garantir sa fiabilité, son efficacité économique, sa manœuvrabilité et sa sécurité pendant l'exploitation. Pour le câblage électrique de 110 kV en simple barre, on utilise généralement un câblage par section ou un câblage en pont. Le câblage en pont a moins de disjoncteurs et un coût d'investissement inférieur, mais sa fiabilité est inférieure à celle du câblage par section, et la difficulté de modification et d'extension ultérieures est plus élevée. Par conséquent, cette étude utilise des disjoncteurs pour sectionner la barre. Avec cette méthode de câblage par section, lorsque l'une des sections de la barre tombe en panne, les autres sections peuvent encore fournir de l'énergie normalement, assurant un service fiable. Le câblage par section simple est relativement simple, avec moins de composants d'équipement, offrant une haute fiabilité et manœuvrabilité. La structure de la sous-station intelligente améliorée est montrée dans la Figure 1.
Les transformateurs au sein de la sous-station, en tant qu'équipements cruciaux, jouent un rôle vital dans la détection d'état. En considérant les coûts d'investissement et les scénarios d'application, le schéma de conception de cette étude utilise un dispositif de surveillance en ligne des gaz dissous dans l'huile et un dispositif de détection en ligne du courant de mise à la terre du noyau. Le premier, dont le prix est d'environ 200 000 RMB par ensemble, sert à détecter l'isolation interne du transformateur principal, tandis que le second est utilisé pour la détection en temps réel du courant de mise à la terre du noyau. Ces deux technologies sont relativement matures et largement appliquées.
Le transformateur principal intelligent intègre les équipements primaires et secondaires, lui permettant de réaliser la perception d'état et l'évaluation de l'état opérationnel. Pour faciliter la maintenance quotidienne et la surveillance, et réduire la charge de maintenance, la circulation naturelle de l'huile et le refroidissement par air sont choisis comme méthode de refroidissement pour le transformateur principal.
Le GIS hybride intègre les disjoncteurs, les interrupteurs et les transformateurs de courant en un seul ensemble, simplifiant le processus de reconstruction en réduisant le nombre d'équipements. De plus, le GIS hybride extérieur présente un nombre réduit d'équipements et de brides, offrant une plus grande fiabilité et résistance à la corrosion, ce qui lui permet de bien performer dans la zone cible. La tension nominale de l'équipement de baie du GIS hybride est de 126 kV, et le courant nominal est de 2000 A. Chaque équipement de baie du GIS hybride comprend des capteurs, des armoires de contrôle intelligentes et des dispositifs de détection de l'état du gaz SF₆. Ces dispositifs peuvent détecter l'état du gaz et l'état de fonctionnement des équipements, permettant des fonctions de mesure numérique, d'interaction d'informations et de consultation de l'état pour les interrupteurs haute tension.
Optimisation des équipements de distribution et de la disposition générale
Dans la conception originale de la sous-station intelligente, la configuration des armoires terminales intelligentes et des armoires de contrôle-rassemblement du GIS hybride suivait l'arrangement de deux armoires par baie. Cependant, cette approche entraîne de nombreux boucles de croisement de câbles, ce qui n'est pas favorable à la maintenance quotidienne. Par conséquent, les circuits secondaires des terminaux intelligents et des mécanismes du GIS hybride peuvent être intégrés. En combinant les panneaux de commande, les boucles de verrouillage, les boucles anti-saut et les boucles hors phase dans le terminal intelligent, une conception intégrée peut être réalisée.
L'optimisation des armoires de contrôle intelligentes concerne principalement trois aspects : (1) Simplification du circuit en remplaçant la logique de câblage dur par la logique logicielle locale des terminaux ; (2) Activation de la communication entre les baies via les terminaux intelligents et la technologie orientée événement de la sous-station ; (3) Adoption d'une conception intégrée des terminaux intelligents et des circuits de commande des disjoncteurs pour réduire les fonctions redondantes telles que les boucles de verrouillage de pression. En plus de ces améliorations de circuit, la disposition des terminaux intelligents à l'intérieur des armoires de contrôle-rassemblement d'origine est conservée, et les connexions entre les armoires de contrôle-rassemblement intelligentes et les équipements correspondants sont optimisées.
Le schéma de conception proposé dans cette étude adopte le modèle de cabine préfabriquée modulaire. La disposition de la sous-station doit être basée sur les conditions naturelles et les exigences d'ingénierie de la zone cible, et posséder des avantages tels que la sécurité, la fiabilité, l'amitié environnementale, la protection contre l'incendie et la facilité d'exploitation et de maintenance. Dans la zone cible, les équipements de distribution de 110 kV et les transformateurs principaux sont disposés du nord au sud. Pour répondre aux exigences de transport, un passage de lutte contre l'incendie circulaire est mis en place à l'intérieur de la sous-station, et l'installation des équipements sur site utilise une disposition minimale. Grâce à cette disposition, 18% de la surface de la terre peut être économisée. La disposition générale des équipements de distribution dans le schéma de conception est montrée dans la Figure 2.
En termes d'optimisation des dimensions de distribution
Le schéma de conception proposé dans la recherche dispose les équipements du GIS hybride en deux rangées, et les équipements de distribution de 110 kV utilisent des supports de barres tubulaires en alliage d'aluminium-magnésium extérieurs. La disposition standard de la baie par section comporte généralement un arrangement linéaire de conduits souples aux deux extrémités, ce qui occupe une grande quantité d'espace latéral. Grâce à l'intégration des équipements du GIS hybride, sa disposition est plus compacte. La recherche fixe la dimension latérale de la baie par section à 8 m, soit 2 m de moins que précédemment. La longueur longitudinale standard est de 39 m. Pour optimiser la dimension longitudinale, le schéma proposé utilise des équipements intégrés, supprime la structure d'entrée et modifie le cadre de barres, réduisant ainsi l'occupation de l'espace longitudinal. Grâce à ces deux améliorations, la dimension longitudinale dans le schéma est de 25,2 m, soit 13,8 m de moins que la longueur standard, réduisant efficacement l'espace occupé par les équipements.
Analyse des performances et des coûts des sous-stations préfabriquées intelligentes
Après la construction de la sous-station préfabriquée, des étapes de mise en service pertinentes doivent être effectuées pour s'assurer que les fonctions de chaque dispositif répondent aux exigences de conception et permettent une communication normale entre les dispositifs et les logiciels. L'expérience enregistre et analyse des données telles que les valeurs de courant, de tension, de puissance active, de température du transformateur et de facteur de puissance de chaque interrupteur dans la sous-station préfabriquée pour garantir le fonctionnement stable des équipements de la sous-station. Parmi celles-ci, les valeurs de température du transformateur à différents moments sont montrées dans la Figure 3.
En observant la Figure 3(a), on constate que les valeurs de température des phases A, B et C restent dans un état relativement stable. La température de la phase B est la plus élevée, atteignant 43,6 °C de 8h31 à 8h32 ; la température de la phase A varie entre 42,0 et 43,2 °C ; et la température de la phase C reste autour de 42,5 °C. Dans la Figure 3(b), la variation des valeurs de température du transformateur collectées en après-midi est également relativement faible. En raison des changements environnementaux, les valeurs globales de température des phases A, B et C sont plus élevées que les valeurs mesurées le matin, mais elles restent toujours dans la plage de température normale. À 14h32, la valeur de température de la phase B est de 44,1 °C, et à ce moment-là, les valeurs de température des phases A et C sont respectivement de 42,9 °C et 42,6 °C. Tout au long de la période de mesure, la température la plus basse de la phase C est de 42,2 °C et la plus élevée est de 43,7 °C, tandis que la température de la phase A fluctue dans la plage de 42,6 à 43,8 °C.
L'analyse des données d'essai sur site montre que les données de la sous-station préfabriquée répondent toutes aux exigences de conception et sont conformes aux normes d'acceptation pertinentes. En termes d'utilité économique, sur la base de la théorie des coûts sur le cycle de vie, l'expérience analyse et calcule les divers coûts des équipements de distribution de 110 kV, et sélectionne le schéma de l'appareillage isolé à l'air pour comparaison. Les résultats de la comparaison sont montrés dans la Figure 4.
Dans la Figure 4, le coût d'investissement initial pour le schéma de conception optimisé du GIS hybride est de 2,413 millions de RMB, soit 0,133 million de RMB de plus que celui du schéma de l'appareillage isolé à l'air. Cela est principalement dû au fait que le coût d'achat des équipements du schéma de conception du GIS hybride est supérieur à celui du schéma de l'appareillage isolé à l'air, et que le coût de l'installation est également légèrement plus élevé.
Au cours de la phase d'exploitation et de maintenance, la proportion des coûts requis est relativement faible. Étant donné que la sous-station du schéma de conception optimisé du GIS hybride est une sous-station non surveillée, seules de petites inspections manuelles régulières sont nécessaires, ce qui réduit les coûts d'exploitation et de maintenance quotidiens. Par conséquent, le coût d'exploitation et de maintenance est beaucoup plus faible que celui du schéma de l'appareillage isolé à l'air.
La probabilité annuelle de panne du schéma de conception optimisé du GIS hybride a été considérablement réduite, entraînant une diminution notable des coûts de maintenance. De plus, son coût de démolition n'est que 89% de celui du schéma de l'appareillage isolé à l'air. En tenant compte de tous les facteurs, la valeur actualisée des coûts sur le cycle de vie du schéma de conception optimisé du GIS hybride est de 0,549 million de RMB inférieure à celle du schéma de l'appareillage isolé à l'air. De plus, le schéma de sous-station intelligente GIS de 110 kV est supérieur au schéma conventionnel d'appareillage isolé à l'air.
Conclusion
Afin de préserver les ressources foncières urbaines, de raccourcir la durée de construction et d'améliorer l'efficacité économique et la fiabilité des sous-stations préfabriquées, cette recherche propose un schéma de conception du GIS hybride extérieur qui intègre les disjoncteurs et les interrupteurs. En optimisant le circuit et en adoptant un câblage par section de simple barre, et en optimisant la disposition générale, le nombre de pannes est réduit et le coût de maintenance est abaissé.
Les résultats des tests montrent que lors de la collecte de la température du transformateur, les valeurs de température des phases A, B et C restent relativement stables. Le matin, la température de la phase A varie entre 42,0 et 43,2 °C, tandis que celle de la phase C reste autour de 42,5 °C. L'après-midi, la température de la phase C varie de 42,2 °C à 43,7 °C, et la température de la phase A fluctue entre 42,6 °C et 43,8 °C. Les données de la sous-station préfabriquée répondent aux exigences de conception et sont conformes aux normes d'acceptation pertinentes.
Dans l'analyse des coûts sur le cycle de vie, bien que le coût d'investissement initial du schéma de conception optimisé du GIS hybride soit de 2,413 millions de RMB, soit 0,133 million de RMB de plus que celui du schéma de l'appareillage isolé à l'air, le schéma de conception optimisé du GIS hybride ne nécessite que de petites inspections manuelles régulières. Cela réduit les coûts d'exploitation et de maintenance quotidiens, rendant le coût d'exploitation et de maintenance beaucoup plus faible que celui du schéma de l'appareillage isolé à l'air, et réduisant considérablement le coût de maintenance. Les calculs montrent que la valeur actualisée des coûts sur le cycle de vie du schéma de conception optimisé du GIS hybride est de 0,549 million de RMB inférieure à celle du schéma de l'appareillage isolé à l'air, démontrant que le schéma de sous-station intelligente GIS de 110 kV optimisé est supérieur au schéma conventionnel d'appareillage isolé à l'air.
Cependant, cette recherche n'analyse et n'optimise que la conception primaire de la sous-station. À l'avenir, une conception intelligente plus complète pour les sous-stations secondaires devra être réalisée en prenant en compte de manière exhaustive la communication et la construction des terres.
