Ricerca progettazione di una sottostazione intelligente a scatola basata su apparecchiature GIS ad alta tensione da 110 kV
Selezione e Configurazione dell'Equipaggiamento di Distribuzione Basata su GIS
Attualmente, l'equipaggiamento di distribuzione comunemente utilizzato comprende principalmente apparecchiature aere esterne, GIS tradizionali interni, GIS interni a struttura in acciaio e GIS ibridi esterni. Questo studio si concentra sulle sottostazioni in Indonesia per completare la configurazione dell'equipaggiamento di distribuzione per sottostazioni prefabbricate intelligenti. La maggior parte delle sottostazioni in Indonesia si trova in aree con terreni complessi e densità di carico bassa. Secondo il piano attuale, la strategia di sviluppo della rete elettrica regionale prevede l'utilizzo delle linee esistenti a 110 kV per costruire sottostazioni di piccola capacità. Su questa base, i livelli di tensione saranno gradualmente ridotti per massimizzare l'efficienza degli investimenti, migliorare l'utilizzazione delle apparecchiature e minimizzare il ruolo delle sottostazioni a 35 kV. Le sottostazioni nella rete elettrica indonesiana sono di grande scala, con costi di investimento e di apparecchiature elevati e periodi di costruzione lunghi, richiedendo ulteriori ottimizzazioni nella selezione e nella configurazione dell'equipaggiamento.
Il GIS ibrido esterno integra interruttori e disgiuntori, utilizzando busbar convenzionali. Questa disposizione può ridurre il numero di flange e apparecchiature esterne, aumentando così l'efficienza del terreno nell'area bersaglio. Inoltre, l'approccio GIS ibrido può ridurre la difficoltà di installazione e ampliamento, facilitando l'installazione e la manutenzione delle apparecchiature in regioni montuose e collinari.
L'Indonesia ha un clima relativamente umido con numerose giornate ad alta temperatura, quindi il controllo intelligente ha requisiti ambientali stringenti. In Indonesia, gli armadi di controllo intelligente generalmente richiedono una umidità relativa compresa tra il 5% e il 95% e una temperatura ambiente compresa tra -5 e 55°C, senza formazione di ghiaccio. Per ottenere il raffreddamento, la deumidificazione e la prevenzione della condensazione per gli armadi di controllo esterni, questo studio adotta il metodo di installazione di condizionatori d'aria sui lati delle porte degli armadi.
Per quanto riguarda la cablatura elettrica principale, è essenziale garantirne l'affidabilità, l'economicità, l'operatività e la sicurezza durante l'operazione. Per la cablatura elettrica a 110 kV a barra singola, viene comunemente adottata la cablatura a sezioni o a ponte. La cablatura a ponte ha meno interruttori e un investimento inferiore, ma la sua affidabilità è inferiore rispetto alla cablatura a sezioni e la difficoltà di modifica e ampliamento successivi è maggiore. Pertanto, questo studio utilizza interruttori per sezionare la barra. Con questo metodo di cablatura a sezioni, quando una sezione della barra si guasta, le sezioni rimanenti possono ancora fornire energia normalmente, assicurando un servizio affidabile. La cablatura a sezioni a barra singola è relativamente semplice, con meno componenti di apparecchiature, e offre alta affidabilità e operatività. La struttura della sottostazione intelligente migliorata è mostrata nella Figura 1.
I trasformatori all'interno della sottostazione, come apparecchiature cruciali, svolgono un ruolo vitale nella rilevazione dello stato. Considerando i costi di investimento e gli scenari di applicazione, lo schema di progettazione di questo studio impiega un dispositivo di monitoraggio in linea dei gas disciolti nell'olio e un dispositivo di rilevazione in linea della corrente di terra del nucleo di ferro. Il primo, con un costo di circa 200.000 RMB per unità, viene utilizzato per rilevare l'isolamento interno del trasformatore principale, mentre il secondo è per la rilevazione in tempo reale della corrente di terra del nucleo di ferro. Entrambe le tecnologie sono relativamente mature e ampiamente applicate.
Il trasformatore principale intelligente integra apparecchiature primarie e secondarie, consentendogli di eseguire la percezione dello stato e la valutazione dello stato operativo. Per facilitare la manutenzione quotidiana e il monitoraggio dei turni e ridurre il carico di manutenzione, viene scelto il raffreddamento a circolazione naturale dell'olio con aria come metodo di raffreddamento per il trasformatore principale.
Il GIS ibrido integra interruttori, commutatori e trasformatori di corrente in un'unica entità, semplificando il processo di ricostruzione riducendo il numero di apparecchiature. Inoltre, il GIS ibrido esterno presenta un numero minore di apparecchiature e flange, offrendo maggiore affidabilità e resistenza alla corrosione, il che lo rende performante nell'area bersaglio. La tensione nominale dell'equipaggiamento GIS ibrido a baia è di 126 kV e la corrente nominale è di 2000 A. Ogni equipaggiamento GIS ibrido a baia comprende sensori, armadi di controllo intelligente e dispositivi di rilevazione dello stato del gas SF₆. Questi dispositivi possono rilevare lo stato del gas e lo stato di funzionamento dell'equipaggiamento, abilitando funzioni di misurazione digitale, interscambio di informazioni e query di stato per interruttori ad alta tensione.
Ottimizzazione dell'Equipaggiamento di Distribuzione e della Disposizione Generale
Nel design originale della sottostazione intelligente, la configurazione degli armadi terminali intelligenti e degli armadi di controllo e raccolta dati del GIS ibrido seguiva la disposizione di due armadi per baia. Tuttavia, questo approccio comporta numerosi loop di incrocio dei cavi, che non sono favorevoli alla manutenzione quotidiana. Pertanto, i circuiti secondari dei terminali intelligenti e dei meccanismi del GIS ibrido possono essere integrati. Combinando pannelli di controllo, loop di blocco, loop anti-trip e loop non in fase nel terminale intelligente, si può realizzare un design integrato.
L'ottimizzazione degli armadi di controllo intelligente comprende principalmente tre aspetti: (1) semplificazione del circuito sostituendo la logica di cablaggio fisso con la logica software locale del terminale; (2) abilitazione della comunicazione tra bai attraverso i terminali intelligenti e la tecnologia orientata agli eventi della sottostazione; (3) adozione di un design integrato di terminali intelligenti e circuiti di controllo degli interruttori per ridurre funzioni ridondanti come i loop di blocco della pressione. Oltre a questi miglioramenti del circuito, la disposizione dei terminali intelligenti all'interno degli armadi di controllo e raccolta dati originali viene mantenuta, e vengono ottimizzate le connessioni tra gli armadi di controllo e raccolta dati intelligenti e l'equipaggiamento corrispondente.
Lo schema di progettazione proposto in questo studio adotta il modello di cabina prefabbricata modulare. La disposizione della sottostazione dovrebbe basarsi sulle condizioni naturali e sui requisiti ingegneristici dell'area bersaglio, e possedere vantaggi come sicurezza, affidabilità, eco-compatibilità, protezione antincendio e operatività e manutenzione comode. Nell'area bersaglio, l'equipaggiamento di distribuzione a 110 kV e i trasformatori principali sono disposti da nord a sud. Per soddisfare i requisiti di trasporto, all'interno della sottostazione viene imposto un passaggio antincendio circolare, e l'installazione dell'equipaggiamento sul sito utilizza una disposizione ridotta al minimo. Attraverso questa disposizione, si può risparmiare il 18% dell'area del terreno. La disposizione generale dell'equipaggiamento di distribuzione nello schema di progettazione è mostrata nella Figura 2.
In termini di ottimizzazione delle dimensioni di distribuzione
Lo schema di progettazione proposto nello studio dispone l'equipaggiamento GIS ibrido in due file, e l'equipaggiamento di distribuzione a 110 kV utilizza busbar di supporto in lega alluminio-magnesio esterna. La disposizione standard a sezioni tipicamente presenta un'ordinamento lineare di busbar flessibili alle due estremità, che occupano una grande quantità di spazio laterale. Grazie all'integrazione dell'equipaggiamento GIS ibrido, la sua disposizione è più compatta. Lo studio imposta la dimensione laterale della baia a sezioni a 8 m, che è 2 m più corta rispetto a prima. La lunghezza longitudinale standard è di 39 m. Per ottimizzare la dimensione longitudinale, lo schema proposto utilizza apparecchiature integrate, rimuove la struttura di ingresso e modifica la struttura del busbar, riducendo così l'occupazione dello spazio longitudinale. Grazie a queste due migliorie, la dimensione longitudinale nello schema è di 25,2 m, 13,8 m più corta rispetto alla lunghezza standard, riducendo efficacemente lo spazio occupato dall'equipaggiamento.
Analisi delle Prestazioni e dei Costi delle Sottostazioni Prefabbricate Intelligenti
Dopo il completamento della costruzione della sottostazione prefabbricata, è necessario eseguire le fasi di messa in servizio pertinenti per assicurare che le funzioni di ogni dispositivo possano soddisfare i requisiti di progettazione e abilitare la comunicazione normale tra i dispositivi e il software. L'esperimento registra e analizza dati come i valori di corrente, tensione, potenza attiva, temperatura del trasformatore e fattore di potenza di ciascun interruttore nella sottostazione prefabbricata per garantire il funzionamento stabile dell'equipaggiamento della sottostazione. Tra questi, i valori di temperatura del trasformatore in diversi periodi sono mostrati nella Figura 3.
Osservando la Figura 3(a), si può notare che i valori di temperatura delle fasi A, B e C rimangono in uno stato relativamente stabile. La temperatura della fase B è la più alta, raggiungendo 43,6 °C tra le 8:31 e le 8:32; la temperatura della fase A varia tra 42,0 - 43,2 °C; e la temperatura della fase C rimane intorno a 42,5 °C. Nella Figura 3(b), anche la variazione dei valori di temperatura del trasformatore raccolti nel pomeriggio è relativamente piccola. A causa dei cambiamenti ambientali, i valori complessivi di temperatura delle fasi A, B e C sono superiori ai valori rilevati al mattino, ma rimangono comunque all'interno della gamma di temperatura normale. Alle 14:32, il valore di temperatura della fase B è 44,1 °C, e in quel momento, i valori di temperatura delle fasi A e C sono rispettivamente 42,9 °C e 42,6 °C. Durante l'intero periodo di misurazione, la temperatura minima della fase C è 42,2 °C e la massima è 43,7 °C, mentre la temperatura della fase A fluttua all'interno del range 42,6 - 43,8 °C.
L'analisi dei dati di test sul campo mostra che i dati della sottostazione prefabbricata soddisfano tutti i requisiti di progettazione e sono conformi agli standard di accettazione pertinenti. In termini di utilità economica, basandosi sulla teoria del costo del ciclo di vita, l'esperimento analizza e calcola i vari costi dell'equipaggiamento di distribuzione a 110 kV, e sceglie lo schema di switchgear a isolamento aerea per confronto. I risultati del confronto sono mostrati nella Figura 4.
Nella Figura 4, il costo di investimento iniziale per lo schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato è di 2,413 milioni di RMB, che è 0,133 milioni di RMB superiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea. Questo è principalmente dovuto al fatto che il costo di acquisto dell'equipaggiamento nello schema di progettazione GIS ibrido è superiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea, e il costo di ingegneria di installazione è anche leggermente superiore.
Durante la fase di operazione e manutenzione, la quota di costo richiesta è relativamente piccola. Poiché la sottostazione dello schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato è una sottostazione non sorvegliata, sono necessarie solo poche ispezioni regolari manuali, riducendo i costi di operazione e manutenzione giornaliera. Pertanto, il costo di operazione e manutenzione è molto inferiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea.
La probabilità di guasto annuale dello schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato è stata notevolmente ridotta, portando a una diminuzione significativa dei costi di manutenzione. Inoltre, il suo costo di smantellamento è solo l'89% di quello dello schema di switchgear a isolamento aerea. Considerando tutti i fattori, il valore presente del costo del ciclo di vita dello schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato è di 0,549 milioni di RMB inferiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea. Inoltre, lo schema di sottostazione intelligente GIS a 110 kV è superiore allo schema di switchgear a isolamento aerea convenzionale.
Conclusione
Al fine di conservare le risorse urbane, abbreviare il periodo di costruzione e migliorare l'efficienza economica e l'affidabilità delle sottostazioni prefabbricate, questo studio propone uno schema di progettazione GIS ibrido esterno che integra interruttori e disgiuntori. Ottimizzando il circuito e adottando la cablatura a barra singola a sezioni, e ottimizzando la disposizione complessiva, si riduce il numero di guasti e si abbassa il costo di manutenzione.
I risultati dei test mostrano che durante la raccolta della temperatura del trasformatore, i valori di temperatura delle fasi A, B e C rimangono relativamente stabili. Al mattino, la temperatura della fase A varia tra 42,0 - 43,2 °C, mentre quella della fase C rimane intorno a 42,5 °C. Nel pomeriggio, la temperatura della fase C varia da un minimo di 42,2 °C a un massimo di 43,7 °C, e la temperatura della fase A fluttua tra 42,6 °C e 43,8 °C. I dati della sottostazione prefabbricata soddisfano i requisiti di progettazione e sono conformi agli standard di accettazione pertinenti.
Nell'analisi del costo del ciclo di vita, sebbene il costo di investimento iniziale dello schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato sia di 2,413 milioni di RMB, 0,133 milioni di RMB superiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea, lo schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato richiede solo poche ispezioni regolari manuali. Ciò riduce i costi di operazione e manutenzione giornaliera, rendendo il costo di operazione e manutenzione molto inferiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea, e riducendo significativamente anche il costo di manutenzione. I calcoli mostrano che il valore presente del costo del ciclo di vita dello schema di progettazione GIS ibrido ottimizzato è di 0,549 milioni di RMB inferiore rispetto allo schema di switchgear a isolamento aerea, dimostrando che lo schema di sottostazione intelligente GIS a 110 kV ottimizzato è superiore allo schema di switchgear a isolamento aerea convenzionale.
Tuttavia, questo studio analizza e ottimizza solo la progettazione primaria della sottostazione. In futuro, sarà necessario realizzare un progetto intelligente più completo per le sottostazioni secondarie, considerando in modo complessivo la comunicazione e la costruzione del terreno.
