Estación de transformación inteligente tipo caixa baseada en equipamentos de conmutación GIS de alta tensión de 110 kV Investigación de deseño
Selección e instalación de equipos de distribución basada en GIS
Actualmente, los equipos de distribución comúnmente utilizados incluyen principalmente el equipo de interruptores al aire libre no encapsulado, 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 de Indonesia para completar la instalación de equipos de distribución para subestaciones prefabricadas inteligentes. La mayoría de las subestaciones en Indonesia están ubicadas en áreas con terrenos complejos y densidades de carga bajas. Según el plan actual, la estrategia de desarrollo de la red eléctrica regional es utilizar las líneas existentes de 110 kV para construir subestaciones de pequeña capacidad. Sobre esta base, los niveles de tensión 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 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 e instalación de equipos de distribución.
El GIS híbrido al aire libre integra interruptores y seccionadores, utilizando barras colectoras convencionales. Esta disposición puede reducir el número de bridas y equipos exteriores, aumentando así la eficiencia del uso de la tierra en la zona objetivo. Además, el enfoque del GIS híbrido puede disminuir la dificultad de la instalación y expansión, facilitando la instalación y mantenimiento del equipo 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 acondicionadores de aire en el lado de las puertas de los gabinetes.
En cuanto al cableado eléctrico principal, es esencial garantizar su confiabilidad, eficiencia económica, operatividad y seguridad durante la operación. Para el cableado de barra simple de 110 kV, se suele adoptar el cableado por secciones o el cableado tipo puente. El cableado tipo puente tiene menos interruptores y menor inversión, pero su confiabilidad es inferior a la del cableado 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 cableado por secciones, cuando una sección de la barra falla, las secciones restantes pueden seguir suministrando energía normalmente, asegurando un servicio confiable. El cableado por secciones de barra simple es relativamente sencillo, con menos componentes de equipos, 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 equipos cruciales, juegan un papel vital en la detección del 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 en línea de corriente de tierra del núcleo de hierro. El primero, con un precio aproximado de 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 de hierro. Ambas tecnologías son relativamente maduras y ampliamente aplicadas.
El transformador principal inteligente integra equipos primarios y secundarios, lo que le permite realizar la percepción del 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 el enfriamiento por circulación natural de aceite y aire como método de enfriamiento para el transformador principal.
El GIS híbrido integra interruptores, seccionadores 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 bridas, ofreciendo mayor confiabilidad y resistencia a la corrosión, lo que lo hace funcionar bien en la zona objetivo. La tensión 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 consta de 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 de funcionamiento del equipo, permitiendo la medición digital, la interacción de información y la consulta de estado de los interruptores de alta tensión.
Optimización de equipos de distribución y disposición general
En el diseño original de la subestación inteligente, la configuración de los gabinetes terminales inteligentes y los gabinetes de control-recolección del GIS híbrido seguía la disposición de asignar dos gabinetes por bahía. Sin embargo, este enfoque resulta en numerosos bucles de cruce de cables, lo que no es favorable para el mantenimiento diario. Por lo tanto, se pueden integrar los circuitos secundarios de los terminales inteligentes y los mecanismos del GIS híbrido. Combinando paneles de control, bucles de bloqueo, bucles antidesconexión y bucles no en 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 de terminales locales; (2) Habilitar la comunicación entre bahías a través de terminales inteligentes y tecnología orientada a eventos de 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-recolección originales, y se optimizan las conexiones entre los gabinetes de control-recolección inteligentes y el equipo correspondiente.
El esquema de diseño propuesto en este estudio adopta el modelo de cabina prefabricada modular. La disposición de la subestación debe basarse en las condiciones naturales y los requisitos de ingeniería de la zona objetivo, y poseer ventajas como seguridad, confiabilidad, amigabilidad ambiental, 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 acceso para 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 un 18% del área de terreno. 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 adopta barras colectoras de soporte de aluminio-magnesio. La disposición estándar de la bahía por secciones suele presentar un arreglo lineal de barras colectoras de conducto 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, que es 2 m más corta 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 de línea 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 costos de las subestaciones prefabricadas inteligentes
Una vez completada la construcción de la subestación prefabricada, es necesario llevar a cabo los pasos de puesta en marcha relevantes para asegurar 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 garantizar 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 de 8:31 a 8:32; la temperatura de la fase A varía entre 42.0-43.2 °C; y la temperatura de la fase C se mantiene 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 la medición matutina, pero aún están dentro del rango de temperatura normal. A las 14:32, el valor de temperatura de la fase B es 44.1 °C, y en ese momento, los valores de temperatura de la fase A y la fase C son 42.9 °C y 42.6 °C respectivamente. Durante todo el período de medición, la temperatura más baja de la fase C es 42.2 °C y la más alta es 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 in situ muestra que los datos de la subestación prefabricada cumplen con los requisitos de diseño y se ajustan a las normas de aceptación pertinentes. 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 interruptores al aire aislado 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 optimizado del GIS híbrido es de 2,413 millones de RMB, que es 0,133 millones de RMB más alto que el del esquema de equipo de interruptores al aire aislado. Esto se debe principalmente a que el costo de adquisición de equipos del esquema de diseño del GIS híbrido es más alto que el del esquema de equipo de interruptores al aire aislado, y el costo de la ingeniería de instalación también es ligeramente más alto.
Durante la fase de operación y mantenimiento, la proporción de costos requeridos es relativamente pequeña. Dado que la subestación del esquema de diseño optimizado del GIS híbrido es una subestación no tripulada, solo se necesitan pequeñas inspecciones manuales regulares, 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 interruptores al aire aislado.
La probabilidad anual de fallos del esquema de diseño optimizado del GIS híbrido ha disminuido significativamente, lo que resulta en una notable reducción de los costos de mantenimiento. Además, su costo de demolición es solo el 89% del del esquema de equipo de interruptores al aire aislado. Considerando todos los factores, el valor presente del costo del ciclo de vida del esquema de diseño optimizado del GIS híbrido es 0,549 millones de RMB menor que el del esquema de equipo de interruptores al aire aislado. Además, el esquema de subestación inteligente de 110 kV GIS es superior al esquema de equipo de interruptores al aire aislado convencional.
Conclusión
Para conservar los recursos de tierras urbanas, acortar el período de construcción y mejorar la eficiencia económica y la confiabilidad de las subestaciones prefabricadas, este estudio propone un esquema de diseño del GIS híbrido al aire libre que integra interruptores y seccionadores. Al optimizar el circuito y adoptar el cableado por secciones de barra simple, y optimizar la disposición general, se reduce el número de fallos y se disminuyen los costos de mantenimiento.
Los resultados de las pruebas 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 desde un mínimo de 42.2 °C hasta 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 las normas de aceptación pertinentes.
En el análisis de costos del ciclo de vida, aunque el costo de inversión inicial del esquema de diseño optimizado del GIS híbrido es de 2,413 millones de RMB, 0,133 millones de RMB más alto que el del esquema de equipo de interruptores al aire aislado, el esquema de diseño optimizado del GIS híbrido solo requiere pequeñas inspecciones manuales regulares. 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 interruptores al aire aislado, y reduciendo significativamente el costo de mantenimiento. Los cálculos muestran que el valor presente del costo del ciclo de vida del esquema de diseño optimizado del GIS híbrido es 0,549 millones de RMB menor que el del esquema de equipo de interruptores al aire aislado, demostrando que el esquema optimizado de subestación inteligente de 110 kV GIS es superior al esquema de equipo de interruptores al aire aislado 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.
