Slimme kastvormige transformatorhuis op basis van 110 kV hoogspannings GIS schakelapparatuur Ontwerp en onderzoek
Selectie en installatie van distributieapparatuur op basis van GIS
Momenteel omvat de meest gebruikte distributieapparatuur voornamelijk buitenliggende open lucht-geïsoleerde schakelkasten, traditionele binnen-GIS, staalgestructureerde binnen-GIS en buitenhybride GIS. Deze studie richt zich op de onderstations in Indonesië om de installatie van distributieapparatuur voor slimme prefab-onderstations te voltooien. De meeste onderstations in Indonesië bevinden zich in gebieden met complexe terreinen en lage belastingdichtheden. Volgens het huidige plan is de regionale strategie voor netwerkontwikkeling gericht op het gebruik van bestaande 110 kV-lijnen om kleine capaciteit onderstations te bouwen. Op deze basis zullen de spanningniveaus geleidelijk worden verlaagd om de investeringsrendabiliteit te maximaliseren, de benutting van apparatuur te verbeteren en de rol van 35 kV-onderstations te verminderen. De onderstations in het Indonesische elektriciteitsnet zijn groot, met hoge investerings- en apparatuurkosten en lange bouwperioden, waardoor verdere optimalisatie nodig is in de selectie van apparatuur en de installatie van distributieapparatuur.
De buitenhybride GIS integreert circuitbrekers en afbreekkers, met gebruikmaking van conventionele busbars. Deze configuratie kan het aantal flensverbindingen en buitenapparatuur verminderen, waardoor de grondgebruiksefficiëntie in het doelgebied wordt vergroot. Bovendien kan de hybride GIS-aanpak de moeilijkheid van installatie en uitbreiding verlagen, wat de installatie en onderhoud van apparatuur in bergachtige en heuvelachtige gebieden faciliteert.
Indonesië heeft een relatief vochtig klimaat met veel hoge temperatuurdagen, waardoor intelligente controle strenge milieuvereisten stelt. In Indonesië vereisen intelligente controlekasten over het algemeen een relatieve vochtigheidsbereik van 5% - 95% en een omgevingstemperatuurbereik van -5 - 55°C, waarbij geen vorstvorming toegestaan is. Om koeling, ontvochting en voorkoming van condensatie voor buitencontrolekasten te bereiken, maakt deze studie gebruik van de methode om airconditioners aan de zijkant van de kastdeuren te installeren.
Bij de hoofdelektrische bedrading is het essentieel om de betrouwbaarheid, economische efficiëntie, bruikbaarheid en veiligheid tijdens de exploitatie te garanderen. Voor de enkele busbar van 110 kV-elektrische bedrading wordt vaak sectiebedrading of brugtype bedrading toegepast. Brugtype bedrading heeft minder circuitbrekers en lagere investeringen, maar de betrouwbaarheid is minder dan bij sectiebedrading, en de moeilijkheid van latere modificaties en uitbreidingen is groter. Daarom gebruikt deze studie circuitbrekers om de busbar te segmenteren. Met deze sectiebedradingmethode, wanneer één sectie van de busbar faalt, kunnen de overige secties nog steeds normaal stroom leveren, waardoor betrouwbare dienstverlening wordt gegarandeerd. De enkele busbar sectiebedrading is relatief eenvoudig, met minder apparatuurcomponenten, en biedt hoge betrouwbaarheid en bruikbaarheid. De structuur van de verbeterde slimme onderstation is weergegeven in figuur 1.
Transformators binnen het onderstation, als cruciale apparatuur, spelen een belangrijke rol in statusdetectie. Rekening houdend met investeringskosten en toepassingsomstandigheden, maakt het ontwerpschema van deze studie gebruik van een online opgelost gasmonitoringapparaat in olie en een online ijzerkern-grondstroomdetectieapparaat. Het eerste, geprijsd op ongeveer 200.000 RMB per set, wordt gebruikt om de interne isolatie van de hoofdtransformator te detecteren, terwijl het laatste voor real-time detectie van de ijzerkern-grondstroom is. Beide technologieën zijn relatief rijp en breed toegepast.
De slimme hoofdtransformator integreert primaire en secundaire apparatuur, waardoor statusperceptie en beoordeling van de operatiestatus mogelijk zijn. Om dagelijkse onderhouds- en monitoringtaken te vergemakkelijken en het onderhoudsbelasting te verlagen, wordt natuurlijke oliecirculatie luchtcooling gekozen als koelmethode voor de hoofdtransformator.
De hybride GIS integreert circuitbrekers, schakelaars en stroomtransformatoren tot één geheel, waardoor het reconstructieproces wordt gestroomlijnd door het aantal apparatuur te verminderen. Bovendien heeft de buitenhybride GIS minder apparatuur en flensverbindingen, met hogere betrouwbaarheid en corrosiebestendigheid, waardoor het goed presteert in het doelgebied. De nominale spanning van de hybride GIS-bay apparatuur is 126 kV, en de nominale stroom is 2000 A. Elke hybride GIS-bay apparatuur bestaat uit sensoren, intelligente controlekasten en SF₆-gasstatusdetectieapparaten. Deze apparaten kunnen de gasstatus en de werking van de apparatuur detecteren, waardoor digitale meting, informatieuitwisseling en statusqueryfuncties voor hoogspanningschakelaars mogelijk zijn.
Optimalisatie van distributieapparatuur en algemene indeling
In het oorspronkelijke ontwerp van het slimme onderstation werd de configuratie van slimme terminaal-kasten en hybride GIS-controle-verzamelkasten geregeld door twee kasten per bay toe te wijzen. Echter, deze aanpak leidt tot talrijke kabeloverkruisingen, wat nadelig is voor dagelijks onderhoud. Daarom kunnen de secundaire circuits van slimme terminals en hybride GIS-mechanismen worden geïntegreerd. Door de controlepanelen, vergrendelingscircuits, anti-trippingscircuits en niet-in-fase-circuits in de slimme terminal te combineren, kan een geïntegreerde ontwerp worden bereikt.
De optimalisatie van slimme controlekasten omvat voornamelijk drie aspecten: (1) Vereenvoudiging van het circuit door harde-wiring-logica te vervangen door lokale terminalsoftwarelogica; (2) Inschakelen van bay-tot-bay communicatie via slimme terminals en substation georiënteerde objecttechnologie; (3) Gebruikmaken van een geïntegreerde ontwerp van slimme terminals en circuitbrekercontrolecircuits om redundantie zoals drukvergrendelingscircuits te verminderen. Naast deze circuitverbeteringen wordt de indeling van slimme terminals binnen de oorspronkelijke controle-verzamelkasten behouden, en worden de verbindingen tussen slimme controle-verzamelkasten en corresponderende apparatuur geoptimaliseerd.
Het ontwerpschema dat in deze studie wordt voorgesteld, maakt gebruik van het modulaire prefab-hokmodel. De indeling van het onderstation moet gebaseerd zijn op de natuurlijke omstandigheden en ingenieursvereisten van het doelgebied, en moet voordelen hebben zoals veiligheid, betrouwbaarheid, milieuvriendelijkheid, brandbeveiliging en gemakkelijke bediening en onderhoud. In het doelgebied worden 110 kV-distributieapparatuur en hoofdtransformators van noord naar zuid gerangschikt. Om vervoersvereisten te voldoen, wordt er binnen het onderstation een cirkelvormige brandweergang ingesteld, en wordt de plaatselijke apparatuurinstallatie met een minimalisatie-indeling uitgevoerd. Door deze indeling kan 18% van de grondoppervlakte worden bespaard. De algemene indeling van de distributieapparatuur in het ontwerpschema is weergegeven in figuur 2.
Wat betreft de optimalisatie van distributieafmetingen
Het ontwerpschema dat in het onderzoek wordt voorgesteld, rangschikt hybride GIS-apparatuur in twee rijen, en de 110 kV-distributieapparatuur maakt gebruik van buitentaluminium-magnesiumlegeringondersteunende bussbars. De standaardsectiebay-indeling kenmerkt zich over het algemeen door een lineaire indeling van zachte conduitbusbars aan beide uiteinden, wat een groot lateraal ruimte inneemt. Dankzij de integratie van hybride GIS-apparatuur is de indeling compacter. Het onderzoek stelt de laterale afmeting van de sectiebay vast op 8 m, wat 2 m korter is dan daarvoor. De standaard longitudinale lengte is 39 m. Om de longitudinale afmeting te optimaliseren, gebruikt het voorgestelde schema geïntegreerde apparatuur, verwijdert de ingangslijnstructuur en wijzigt de busbarframework, waardoor de bezetting van de longitudinale ruimte wordt verminderd. Door deze twee verbeteringen is de longitudinale afmeting in het schema 25,2 m, 13,8 m korter dan de standaardlengte, waardoor de ruimte die door de apparatuur wordt ingenomen effectief wordt verkleind.
Prestatie- en kostenanalyse van slimme prefab-onderstations
Na voltooiing van de bouw van het prefab-onderstation moeten relevante inrichtingsstappen worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de functies van elk apparaat aan de ontwerpeisen voldoen en normale communicatie tussen de apparaten en software mogelijk maken. Het experiment registreert en analyseert gegevens zoals de stroomwaarden, spanningswaarden, actieve vermogen, transformator temperatuur en cosinus phi van elke schakelaar in het prefab-onderstation om de stabiele werking van de onderstationsapparatuur te waarborgen. Onder andere, de transformator temperatuurwaarden op verschillende tijdstippen worden weergegeven in figuur 3.
Door figuur 3(a) te observeren, kan worden vastgesteld dat de temperatuurwaarden van fase A, fase B en fase C allemaal in een relatief stabiele staat blijven. De temperatuur van fase B is het hoogst, bereikend 43,6 °C van 8:31 tot 8:32; de temperatuur van fase A varieert tussen 42,0 - 43,2 °C; en de temperatuur van fase C blijft rond 42,5 °C. In figuur 3(b) is de variatie in de verzamelde transformator temperatuurwaarden in de namiddag ook relatief klein. Vanwege omgevingsveranderingen zijn de algehele temperatuurwaarden van fase A, fase B en fase C hoger dan de ochtendmeting, maar nog steeds binnen het normale temperatuurbereik. Om 14:32 is de temperatuurwaarde van fase B 44,1 °C, en op dat moment zijn de temperatuurwaarden van fase A en fase C respectievelijk 42,9 °C en 42,6 °C. Tijdens de hele meetperiode is de laagste temperatuur van fase C 42,2 °C en de hoogste 43,7 °C, terwijl de temperatuur van fase A fluctueert binnen het bereik van 42,6 - 43,8 °C.
Analyse van de ter plaatse verzamelde gegevens toont aan dat de gegevens van het prefab-onderstation voldoen aan de ontwerpeisen en voldoen aan de relevante acceptatiecriteria. Wat betreft economische nut, op basis van de levenscycluskostentheorie, analyseert en berekent het experiment de verschillende kosten van de 110 kV-distributieapparatuur, en kiest het luchtgeïsoleerde schakelkastschema voor vergelijking. De vergelijkingsresultaten worden weergegeven in figuur 4.
In figuur 4 is de initiële investeringskost voor het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema 2,413 miljoen RMB, wat 0,133 miljoen RMB hoger is dan dat van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema. Dit komt vooral omdat de apparatuuraankoopkosten van het hybride GIS-ontwerpschema hoger zijn dan die van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema, en de installatie-ingenieurskosten zijn ook iets hoger.
Tijdens de exploitatie- en onderhoudsfase is het vereiste kostendeel relatief klein. Aangezien het onderstation van het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema een onbemand onderstation is, is slechts een kleine hoeveelheid regelmatige handmatige inspecties nodig, wat de dagelijkse exploitatie- en onderhoudskosten vermindert. Daarom is de exploitatie- en onderhoudskosten veel lager dan die van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema.
De jaarlijkse storingkans van het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema is aanzienlijk gereduceerd, wat resulteert in een opvallende daling van de onderhoudskosten. Bovendien is de slopkosten slechts 89% van die van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema. Met alle factoren in overweging is de tegenwaarde van de levenscycluskosten van het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema 0,549 miljoen RMB lager dan die van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema. Bovendien is het 110 kV GIS-slimme onderstationsschema superieur aan het conventionele luchtgeïsoleerde schakelkastschema.
Conclusie
Om stedelijke grondbronnen te besparen, de bouwperiode te verkorten en de economische efficiëntie en betrouwbaarheid van prefab-onderstations te verhogen, stelt dit onderzoek een buitenhybride GIS-ontwerpschema voor dat circuitbrekers en afbreekkers integreert. Door de circuit te optimaliseren en enkele busbar sectiebedrading te gebruiken, en de algemene indeling te optimaliseren, worden het aantal storingen en de onderhoudskosten verlaagd.
De testresultaten tonen aan dat tijdens de verzameling van de transformator temperatuur, de temperatuurwaarden van fase A, fase B en fase C relatief stabiel blijven. In de ochtend varieert de temperatuur van fase A tussen 42,0 - 43,2 °C, terwijl die van fase C rond 42,5 °C blijft. In de namiddag varieert de temperatuur van fase C van een minimum van 42,2 °C tot een maximum van 43,7 °C, en de temperatuur van fase A fluctueert tussen 42,6 °C en 43,8 °C. De gegevens van het prefab-onderstation voldoen aan de ontwerpeisen en voldoen aan de relevante acceptatiecriteria.
In de levenscycluskostenanalyse, hoewel de initiële investeringskosten van het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema 2,413 miljoen RMB bedragen, 0,133 miljoen RMB hoger dan dat van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema, vereist het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema slechts een kleine hoeveelheid regelmatige handmatige inspecties. Dit vermindert de dagelijkse exploitatie- en onderhoudskosten, waardoor de exploitatie- en onderhoudskosten veel lager zijn dan die van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema, en de onderhoudskosten aanzienlijk worden verlaagd. Berekeningen tonen aan dat de tegenwaarde van de levenscycluskosten van het geoptimaliseerde hybride GIS-ontwerpschema 0,549 miljoen RMB lager is dan die van het luchtgeïsoleerde schakelkastschema, wat aantoont dat het geoptimaliseerde 110 kV GIS-slimme onderstationsschema superieur is aan het conventionele luchtgeïsoleerde schakelkastschema.
Echter, dit onderzoek analyseert en optimaliseert alleen het primaire onderstationsontwerp. In de toekomst moet een meer omvattende slimme ontwerp voor secundaire onderstations worden uitgevoerd door communicatie en landbouw volledig te overwegen.
