Исследование по проектированию интеллектуальной бокс-подстанции на основе высоковольтного коммутационного оборудования GIS 110 кВ
Выбор и настройка распределительного оборудования на основе ГИС
В настоящее время наиболее часто используемое распределительное оборудование включает открытые воздушные выключатели, традиционные внутренние ГИС, стальные внутренние ГИС и гибридные внешние ГИС. Данное исследование направлено на подстанции в Индонезии для завершения установки распределительного оборудования для интеллектуальных сборных подстанций. Большинство подстанций в Индонезии расположены в районах с сложным рельефом и низкой плотностью нагрузки. Согласно текущему плану, стратегия развития региональной энергосистемы заключается в использовании существующих линий напряжением 110 кВ для строительства подстанций малой мощности. На этой основе будут постепенно снижаться уровни напряжения, чтобы максимизировать эффективность инвестиций, повысить использование оборудования и уменьшить роль подстанций напряжением 35 кВ. Подстанции в энергосистеме Индонезии имеют крупные масштабы, высокие затраты на инвестиции и оборудование, а также длительные сроки строительства, что требует дальнейшей оптимизации выбора и настройки оборудования.
Гибридная внешняя ГИС интегрирует выключатели и разъединители, используя обычные шины. Такая конфигурация может снизить количество фланцев и внешнего оборудования, тем самым увеличивая эффективность использования земли в целевом районе. Кроме того, подход гибридной ГИС может упростить установку и расширение, облегчая монтаж и обслуживание оборудования в горных и холмистых районах.
Климат в Индонезии относительно влажный, с большим количеством жарких дней, поэтому интеллектуальное управление имеет строгие требования к окружающей среде. В Индонезии интеллектуальные шкафы управления обычно требуют диапазон относительной влажности от 5% до 95% и диапазон температуры окружающей среды от -5 до 55°C, при этом образование инея не допускается. Для обеспечения охлаждения, осушения и предотвращения образования конденсата в наружных шкафах управления в данном исследовании используется метод установки кондиционеров на боковых дверях шкафов.
Что касается основных электрических соединений, важно обеспечить их надежность, экономическую эффективность, управляемость и безопасность в эксплуатации. Для одиночной шины напряжением 110 кВ обычно используются секционированные или мостовые соединения. Мостовые соединения имеют меньше выключателей и меньшие затраты, но их надежность ниже, чем у секционированных, и сложность последующего изменения и расширения выше. Поэтому в данном исследовании используется секционирование шины с помощью выключателей. С помощью этого метода секционирования, когда одна секция шины выходит из строя, остальные секции могут продолжать нормально снабжать энергией, обеспечивая надежное обслуживание. Одиночная секционированная шина относительно проста, имеет меньше компонентов оборудования и обеспечивает высокую надежность и управляемость. Структура улучшенной интеллектуальной подстанции показана на рисунке 1.
Трансформаторы на подстанции, как важное оборудование, играют ключевую роль в обнаружении состояния. Учитывая затраты на инвестиции и области применения, проект данного исследования использует устройство онлайн-мониторинга растворенных газов в масле и устройство онлайн-обнаружения тока заземления сердечника. Первое, стоимостью около 200 000 юаней за комплект, используется для обнаружения внутренней изоляции главного трансформатора, а второе — для реального времени обнаружения тока заземления сердечника. Обе технологии относительно зрелы и широко применяются.
Интеллектуальный главный трансформатор интегрирует первичное и вторичное оборудование, что позволяет ему выполнять функции обнаружения состояния и оценки операционного состояния. Для облегчения ежедневного технического обслуживания и мониторинга смен, а также для уменьшения объема работ по обслуживанию, в качестве метода охлаждения главного трансформатора выбрана естественная циркуляция масла и воздушное охлаждение.
Гибридная ГИС интегрирует выключатели, переключатели и трансформаторы тока в одно целое, упрощая процесс реконструкции путем сокращения количества оборудования. Кроме того, гибридная внешняя ГИС имеет меньшее количество оборудования и фланцев, что обеспечивает большую надежность и коррозионную стойкость, что делает ее хорошо работающей в целевом районе. Номинальное напряжение оборудования ячеек гибридной ГИС составляет 126 кВ, а номинальный ток — 2000 А. Каждое оборудование ячеек гибридной ГИС включает датчики, интеллектуальные шкафы управления и устройства обнаружения состояния газа SF₆. Эти устройства могут обнаруживать состояние газа и рабочее состояние оборудования, обеспечивая цифровые измерения, информационный обмен и функции запроса состояния для высоковольтных выключателей.
Оптимизация распределительного оборудования и общая планировка
В исходном дизайне интеллектуальной подстанции конфигурация интеллектуальных терминальных шкафов и шкафов управления гибридной ГИС следовала принципу распределения двух шкафов на ячейку. Однако этот подход приводит к множеству перекрещивающихся петель кабелей, что неблагоприятно для ежедневного технического обслуживания. Поэтому вторичные цепи интеллектуальных терминалов и механизмов гибридной ГИС можно интегрировать. Объединяя панели управления, блокирующие контуры, противоаварийные контуры и контуры несинхронности в интеллектуальный терминал, можно достичь интегрированного дизайна.
Оптимизация интеллектуальных шкафов управления в основном включает три аспекта: (1) упрощение цепи путем замены жесткой логики проводами на логику программного обеспечения местного терминала; (2) обеспечение коммуникации между ячейками через интеллектуальные терминалы и технологию объектов, ориентированных на события подстанции; (3) применение интегрированного дизайна интеллектуальных терминалов и цепей управления выключателями для сокращения избыточных функций, таких как блокирующие контуры давления. Помимо этих улучшений цепи, сохраняется расположение интеллектуальных терминалов в исходных шкафах управления, и оптимизируются соединения между интеллектуальными шкафами управления и соответствующим оборудованием.
Предложенный в данном исследовании дизайн использует модульную модель сборных кабин. Планировка подстанции должна основываться на естественных условиях и инженерных требованиях целевого района и иметь преимущества, такие как безопасность, надежность, экологичность, пожарная защита и удобство эксплуатации и обслуживания. В целевом районе оборудование распределения напряжением 110 кВ и главные трансформаторы располагаются с севера на юг. Для удовлетворения транспортных требований внутри подстанции устанавливается круговой пожарный проход, а установка оборудования на месте использует минимизированную планировку. Благодаря такой планировке можно сэкономить 18% площади земли. Общая планировка оборудования распределения в проекте показана на рисунке 2.
В отношении оптимизации размеров распределения
Предложенный в исследовании дизайн располагает оборудование гибридной ГИС в два ряда, а оборудование распределения напряжением 110 кВ использует внешние алюминиево-магниевые опорные трубчатые шины. Стандартная секционная ячейка обычно имеет линейное расположение мягких гибких шин на обоих концах, что занимает большое количество бокового пространства. Благодаря интеграции оборудования гибридной ГИС его расположение становится более компактным. В исследовании боковой размер секционной ячейки установлен на уровне 8 м, что на 2 м меньше, чем раньше. Стандартная продольная длина составляет 39 м. Для оптимизации продольного размера предлагаемый проект использует интегрированное оборудование, удаляет входящую конструкцию и изменяет каркас шин, тем самым сокращая занятие продольного пространства. Благодаря этим двум улучшениям продольный размер в проекте составляет 25.2 м, что на 13.8 м меньше стандартной длины, что эффективно уменьшает пространство, занимаемое оборудованием.
Анализ производительности и затрат интеллектуальных сборных подстанций
После завершения строительства сборной подстанции необходимо выполнить соответствующие этапы пусконаладочных работ, чтобы убедиться, что функции каждого устройства соответствуют проектным требованиям и обеспечивают нормальное взаимодействие между устройствами и программным обеспечением. Эксперимент записывает и анализирует данные, такие как значения тока, напряжения, активной мощности, температуры трансформатора и коэффициента мощности каждого выключателя в сборной подстанции, чтобы обеспечить стабильную работу оборудования подстанции. Среди них, значения температуры трансформатора в разное время показаны на рисунке 3.
Наблюдая за рисунком 3(a), можно заметить, что значения температуры фаз A, B и C остаются в относительно стабильном состоянии. Температура фазы B является самой высокой, достигая 43.6 °C с 8:31 до 8:32; температура фазы A колеблется в диапазоне 42.0-43.2 °C; температура фазы C остается около 42.5 °C. На рисунке 3(b) также наблюдается небольшая вариация значений температуры трансформатора, собранных во второй половине дня. Из-за изменений окружающей среды общие значения температуры фаз A, B и C выше, чем утренние измеренные значения, но все еще находятся в нормальном диапазоне температур. В 14:32 значение температуры фазы B составляет 44.1 °C, а в это время значения температуры фаз A и C составляют 42.9 °C и 42.6 °C соответственно. В течение всего периода измерений минимальная температура фазы C составляет 42.2 °C, а максимальная — 43.7 °C, а температура фазы A колеблется в диапазоне 42.6-43.8 °C.
Анализ данных полевых испытаний показывает, что данные сборной подстанции соответствуют проектным требованиям и соответствуют соответствующим стандартам приемки. В экономическом отношении, на основе теории жизненного цикла, эксперимент анализирует и рассчитывает различные затраты на оборудование распределения напряжением 110 кВ, и выбирает схему воздушных выключателей для сравнения. Результаты сравнения показаны на рисунке 4.
На рисунке 4 начальные инвестиционные затраты для оптимизированной схемы гибридной ГИС составляют 2,413 млн юаней, что на 0,133 млн юаней выше, чем для схемы воздушных выключателей. Это связано с тем, что стоимость закупки оборудования для схемы гибридной ГИС выше, чем для схемы воздушных выключателей, а также немного выше стоимость монтажных работ.
Во время эксплуатации и технического обслуживания необходимая доля затрат относительно невелика. Поскольку подстанция, оптимизированная по схеме гибридной ГИС, является безлюдной, требуется только небольшое количество регулярных ручных проверок, что снижает ежедневные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Поэтому затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание значительно ниже, чем для схемы воздушных выключателей.
Ежегодная вероятность отказа для оптимизированной схемы гибридной ГИС значительно снизилась, что привело к заметному уменьшению затрат на техническое обслуживание. Кроме того, затраты на демонтаж составляют только 89% от затрат на демонтаж схемы воздушных выключателей. Учитывая все факторы, текущая стоимость затрат на жизненный цикл для оптимизированной схемы гибридной ГИС на 0,549 млн юаней ниже, чем для схемы воздушных выключателей. Кроме того, схема интеллектуальной подстанции 110 кВ с ГИС превосходит традиционную схему воздушных выключателей.
Заключение
Для экономии городских земельных ресурсов, сокращения сроков строительства и повышения экономической эффективности и надежности сборных подстанций, данное исследование предлагает схему гибридной внешней ГИС, которая интегрирует выключатели и разъединители. Оптимизируя цепи и используя одиночные секционированные шины, а также оптимизируя общую планировку, число отказов снижается, а затраты на техническое обслуживание уменьшаются.
Результаты тестов показывают, что при сборе данных о температуре трансформатора, значения температуры фаз A, B и C остаются относительно стабильными. Утром температура фазы A колеблется в диапазоне 42.0-43.2 °C, а температура фазы C остается около 42.5 °C. Во второй половине дня температура фазы C варьируется от минимального значения 42.2 °C до максимального 43.7 °C, а температура фазы A колеблется в диапазоне 42.6-43.8 °C. Данные сборной подстанции соответствуют проектным требованиям и соответствуют соответствующим стандартам приемки.
В анализе затрат на жизненный цикл, хотя начальные инвестиционные затраты для оптимизированной схемы гибридной ГИС составляют 2,413 млн юаней, что на 0,133 млн юаней выше, чем для схемы воздушных выключателей, оптимизированная схема гибридной ГИС требует только небольшого количества регулярных ручных проверок. Это снижает ежедневные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, делая затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание значительно ниже, чем для схемы воздушных выключателей, и значительно снижает затраты на техническое обслуживание. Расчеты показывают, что текущая стоимость затрат на жизненный цикл для оптимизированной схемы гибридной ГИС на 0,549 млн юаней ниже, чем для схемы воздушных выключателей, что демонстрирует, что оптимизированная схема интеллектуальной подстанции 110 кВ с ГИС превосходит традиционную схему воздушных выключателей.
Однако данное исследование анализирует и оптимизирует только основной дизайн подстанции. В будущем необходимо провести более комплексное интеллектуальное проектирование для вторичных подстанций, учитывая коммуникации и строительство земельных участков.
