Pesquisa de design de subestação inteligente tipo caixa baseada em equipamento de comutação GIS de alta tensão 110 kV
Seleção e Configuração de Equipamentos de Distribuição Baseada em GIS
Atualmente, os equipamentos de distribuição comumente utilizados incluem principalmente equipamentos de manobra ao ar livre do tipo aberto, GIS tradicionais internos, GIS internos de estrutura de aço e GIS híbridos externos. Este estudo visa as subestações na Indonésia para completar a configuração de equipamentos de distribuição para subestações inteligentes pré-fabricadas. A maioria das subestações na Indonésia está localizada em áreas com terrenos complexos e densidades de carga baixas. De acordo com o plano atual, a estratégia de desenvolvimento da rede elétrica regional é utilizar as linhas existentes de 110 kV para construir subestações de pequena capacidade. Nessa base, os níveis de tensão serão gradualmente reduzidos para maximizar a eficiência do investimento, aumentar a utilização dos equipamentos e diminuir o papel das subestações de 35 kV. As subestações na rede elétrica indonésia são de grande escala, com altos custos de investimento e equipamentos e longos períodos de construção, necessitando uma otimização adicional na seleção e configuração dos equipamentos.
O GIS híbrido externo integra disjuntores e seccionadores, utilizando barras coletoras convencionais. Essa disposição pode reduzir o número de flanges e equipamentos externos, aumentando assim a eficiência do uso da terra na área alvo. Além disso, a abordagem do GIS híbrido pode diminuir a dificuldade de instalação e expansão, facilitando a instalação e manutenção de equipamentos em regiões montanhosas e acidentadas.
A Indonésia tem um clima relativamente úmido com muitos dias de alta temperatura, portanto, o controle inteligente tem requisitos ambientais rigorosos. Na Indonésia, gabinetes de controle inteligente geralmente requerem um intervalo de umidade relativa de 5% a 95% e um intervalo de temperatura ambiente de -5 a 55°C, sem formação de geada permitida. Para alcançar o resfriamento, desumidificação e prevenção de condensação em gabinetes de controle externos, este estudo adota o método de instalar ar-condicionados no lado das portas dos gabinetes.
Em relação ao cabeamento elétrico principal, é essencial garantir sua confiabilidade, economicidade, operabilidade e segurança durante a operação. Para o cabeamento de barra simples de 110 kV, geralmente é adotado o cabeamento seccionado ou do tipo ponte. O cabeamento do tipo ponte tem menos disjuntores e menor investimento, mas sua confiabilidade é inferior à do cabeamento seccionado, e a dificuldade de modificação e expansão subsequentes é maior. Portanto, este estudo utiliza disjuntores para seccionar a barra. Com esse método de cabeamento seccionado, quando uma seção da barra falha, as seções restantes ainda podem fornecer energia normalmente, garantindo um serviço confiável. O cabeamento seccionado de barra simples é relativamente simples, com menos componentes de equipamento, e oferece alta confiabilidade e operabilidade. A estrutura da subestação inteligente aprimorada é mostrada na Figura 1.
Os transformadores dentro da subestação, como equipamentos cruciais, desempenham um papel vital na detecção de estado. Considerando os custos de investimento e cenários de aplicação, o esquema de design deste estudo emprega um dispositivo de monitoramento de gás dissolvido on-line no óleo e um dispositivo de detecção de corrente de aterramento do núcleo de ferro on-line. O primeiro, com preço aproximado de 200.000 RMB por conjunto, é usado para detectar a isolação interna do transformador principal, enquanto o segundo é para detecção em tempo real da corrente de aterramento do núcleo de ferro. Ambas as tecnologias são relativamente maduras e amplamente aplicadas.
O transformador principal inteligente integra equipamentos primários e secundários, permitindo que ele realize percepção de estado e avaliação de estado operacional. Para facilitar a manutenção diária e turnos de monitoramento e reduzir a carga de trabalho de manutenção, a circulação natural de óleo e refrigeração a ar foi escolhida como método de resfriamento para o transformador principal.
O GIS híbrido integra disjuntores, chaves e transformadores de corrente em uma única entidade, simplificando o processo de reconstrução ao reduzir o número de equipamentos. Além disso, o GIS híbrido externo apresenta um número menor de equipamentos e flanges, oferecendo maior confiabilidade e resistência à corrosão, o que o torna adequado para a área alvo. A tensão nominal do equipamento de baia do GIS híbrido é de 126 kV, e a corrente nominal é de 2000 A. Cada equipamento de baia do GIS híbrido compreende sensores, gabinetes de controle inteligente e dispositivos de detecção de estado do gás SF₆. Esses dispositivos podem detectar o estado do gás e o estado operacional do equipamento, possibilitando funções de medição digital, interação de informações e consulta de estado para interruptores de alta tensão.
Otimização de Equipamentos de Distribuição e Disposição Geral
No design original da subestação inteligente, a configuração de gabinetes terminais inteligentes e gabinetes de controle e coleta do GIS híbrido seguiu o arranjo de alocação de dois gabinetes por baia. No entanto, essa abordagem resulta em numerosos loops de cruzamento de cabos, o que é desfavorável para a manutenção diária. Portanto, os circuitos secundários de terminais inteligentes e mecanismos do GIS híbrido podem ser integrados. Ao combinar painéis de controle, loops de intertravamento, loops anti-travamento e loops fora de fase no terminal inteligente, pode-se alcançar um design integrado.
A otimização dos gabinetes de controle inteligente abrange principalmente três aspectos: (1) Simplificar o circuito substituindo a lógica de fiação dura pela lógica de software local; (2) Permitir comunicação entre baias através de terminais inteligentes e tecnologia orientada a eventos de subestação; (3) Adotar um design integrado de terminais inteligentes e circuitos de controle de disjuntores para reduzir funções redundantes, como loops de intertravamento de pressão. Além dessas melhorias nos circuitos, a disposição dos terminais inteligentes dentro dos gabinetes de controle e coleta originais é mantida, e as conexões entre os gabinetes de controle e coleta inteligentes e os equipamentos correspondentes são otimizadas.
O esquema de design proposto neste estudo adota o modelo de módulo de cabine pré-fabricada. A disposição da subestação deve ser baseada nas condições naturais e requisitos de engenharia da área alvo, e possuir vantagens como segurança, confiabilidade, amigabilidade ambiental, proteção contra incêndio e operação e manutenção convenientes. Na área alvo, os equipamentos de distribuição de 110 kV e os transformadores principais são dispostos do norte ao sul. Para atender aos requisitos de transporte, é estabelecida uma passagem de combate a incêndios circular dentro da subestação, e a instalação de equipamentos no local utiliza um layout minimizado. Através dessa disposição, 18% da área de terra pode ser economizada. A disposição geral dos equipamentos de distribuição no esquema de design é mostrada na Figura 2.
Em termos de otimização das dimensões de distribuição
O esquema de design proposto na pesquisa dispõe os equipamentos do GIS híbrido em duas fileiras, e o equipamento de distribuição de 110 kV adota barras coletoras de suporte de alumínio-magnésio externas. A disposição típica de baia seccionada apresenta uma disposição linear de barras flexíveis em ambas as extremidades, ocupando uma grande quantidade de espaço lateral. Graças à integração dos equipamentos do GIS híbrido, sua disposição é mais compacta. A pesquisa define a dimensão lateral da baia seccionada em 8 m, 2 m menor do que antes. O comprimento longitudinal padrão é de 39 m. Para otimizar a dimensão longitudinal, o esquema proposto utiliza equipamentos integrados, remove a estrutura de entrada e modifica a estrutura de barras, reduzindo assim a ocupação do espaço longitudinal. Através dessas duas melhorias, a dimensão longitudinal no esquema é de 25,2 m, 13,8 m menor do que o comprimento padrão, reduzindo efetivamente o espaço ocupado pelos equipamentos.
Análise de Desempenho e Custos de Subestações Inteligentes Pré-fabricadas
Após a conclusão da construção da subestação pré-fabricada, etapas de comissionamento relevantes precisam ser realizadas para garantir que as funções de cada dispositivo atendam aos requisitos de design e permitam a comunicação normal entre os dispositivos e o software. Os registros e análises experimentais de dados, como valores de corrente, tensão, potência ativa, temperatura do transformador e fator de potência de cada chave na subestação pré-fabricada, garantem a operação estável dos equipamentos da subestação. Dentre eles, os valores de temperatura do transformador em diferentes períodos de tempo são mostrados na Figura 3.
Observando a Figura 3(a), pode-se constatar que os valores de temperatura das fases A, B e C permanecem em um estado relativamente estável. A temperatura da fase B é a mais alta, atingindo 43,6 °C de 8:31 a 8:32; a temperatura da fase A varia entre 42,0-43,2 °C; e a temperatura da fase C permanece em torno de 42,5 °C. Na Figura 3(b), a variação nos valores de temperatura do transformador coletados à tarde também é relativamente pequena. Devido às mudanças ambientais, os valores globais de temperatura das fases A, B e C são maiores do que os valores da manhã, mas ainda estão dentro da faixa de temperatura normal. Às 14:32, o valor de temperatura da fase B é 44,1 °C, e nesse momento, os valores de temperatura das fases A e C são 42,9 °C e 42,6 °C, respectivamente. Durante todo o período de medição, a temperatura mínima da fase C é 42,2 °C e a máxima é 43,7 °C, enquanto a temperatura da fase A flutua na faixa de 42,6-43,8 °C.
A análise dos dados de teste in loco mostra que os dados da subestação pré-fabricada atendem aos requisitos de design e estão em conformidade com os padrões de aceitação relevantes. Em termos de utilidade econômica, com base na teoria do custo de ciclo de vida, o experimento analisa e calcula os diversos custos do equipamento de distribuição de 110 kV, e seleciona o esquema de equipamento de manobra ao ar livre para comparação. Os resultados da comparação são mostrados na Figura 4.
Na Figura 4, o custo de investimento inicial para o esquema de design do GIS híbrido otimizado é de 2,413 milhões de RMB, que é 0,133 milhão de RMB maior do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre. Isso se deve principalmente ao fato de que o custo de aquisição de equipamentos do esquema de design do GIS híbrido é maior do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre, e o custo de engenharia de instalação também é ligeiramente maior.
Durante a fase de operação e manutenção, a proporção de custo necessária é relativamente pequena. Como a subestação do esquema de design do GIS híbrido otimizado é uma subestação não tripulada, apenas uma pequena quantidade de inspeções manuais regulares é necessária, o que reduz os custos de operação e manutenção diários. Portanto, o custo de operação e manutenção é muito menor do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre.
A probabilidade anual de falha do esquema de design do GIS híbrido otimizado foi significativamente reduzida, resultando em uma notável diminuição nos custos de manutenção. Além disso, seu custo de demolição é apenas 89% do custo do esquema de equipamento de manobra ao ar livre. Considerando todos os fatores, o valor presente do custo de ciclo de vida do esquema de design do GIS híbrido otimizado é 0,549 milhão de RMB menor do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre. Além disso, o esquema de subestação inteligente de GIS de 110 kV é superior ao esquema de equipamento de manobra ao ar livre convencional.
Conclusão
Para conservar os recursos de terras urbanas, encurtar o prazo de construção e aumentar a eficiência econômica e confiabilidade das subestações pré-fabricadas, esta pesquisa propõe um esquema de design de GIS híbrido externo que integra disjuntores e seccionadores. Ao otimizar o circuito e adotar o cabeamento seccionado de barra simples, e ao otimizar a disposição geral, o número de falhas é reduzido e o custo de manutenção é diminuído.
Os resultados dos testes mostram que, durante a coleta da temperatura do transformador, os valores de temperatura das fases A, B e C permanecem relativamente estáveis. Pela manhã, a temperatura da fase A varia entre 42,0-43,2 °C, enquanto a da fase C permanece em torno de 42,5 °C. À tarde, a temperatura da fase C varia de um mínimo de 42,2 °C a um máximo de 43,7 °C, e a temperatura da fase A flutua entre 42,6 °C e 43,8 °C. Os dados da subestação pré-fabricada atendem aos requisitos de design e estão em conformidade com os padrões de aceitação relevantes.
Na análise do custo de ciclo de vida, embora o custo de investimento inicial do esquema de design do GIS híbrido otimizado seja de 2,413 milhões de RMB, 0,133 milhão de RMB maior do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre, o esquema de design do GIS híbrido otimizado requer apenas uma pequena quantidade de inspeções manuais regulares. Isso reduz os custos de operação e manutenção diários, fazendo com que o custo de operação e manutenção seja muito menor do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre, e reduz significativamente o custo de manutenção. Os cálculos mostram que o valor presente do custo de ciclo de vida do esquema de design do GIS híbrido otimizado é 0,549 milhão de RMB menor do que o do esquema de equipamento de manobra ao ar livre, demonstrando que o esquema de subestação inteligente de GIS de 110 kV otimizado é superior ao esquema de equipamento de manobra ao ar livre convencional.
No entanto, esta pesquisa analisa e otimiza apenas o design primário da subestação. No futuro, será necessário realizar um design inteligente mais abrangente para subestações secundárias, considerando de forma abrangente a comunicação e a construção de terras.
