Intelligent lådformad understation baserad på 110 kV högspännings GIS-brytare Designforskning
Utvalg och installation av distributionsutrustning baserat på GIS
För närvarande omfattar vanligt förekommande distributionsutrustning huvudsakligen utomhusöppen luftisoleringsskärm, traditionell inomhus-GIS, stålstrukturinomhus-GIS och utomhus-hybrid-GIS. Denna studie syftar till att slutföra installationen av distributionsutrustning för intelligenta förfabrikerade understationer i Indonesien. De flesta understationerna i Indonesien ligger i områden med komplex terräng och låg belastningsdensitet. Enligt nuvarande planering är regionala strategin för utveckling av elkraftnätet att använda befintliga 110 kV-ledningar för att bygga små kapacitetsunderstationer. På denna grundval kommer spänningsnivåerna gradvis att sänkas för att maximera investeringsverkningsgrad, öka utrustningsanvändningen och minska rollen för 35 kV-understationer. Understationerna i Indonesiens elkraftnät är storskaliga, med höga investerings- och utrustningskostnader samt långa byggperioder, vilket kräver ytterligare optimering av utrustningsval och installationsupplägg.
Den utomhus-hybrid-GIS integrerar brytare och kopplingar, med konventionella busbar. Detta upplägg kan reducera antalet flänger och utomhusutrustning, vilket ökar markanvändningseffektiviteten i målområdet. Dessutom kan hybrid-GIS-metoden minska svårighetsgraden för installation och utbyggnad, vilket underlättar installation och underhåll av utrustning i bergiga och kulliga regioner.
Indonesien har en relativt fuktig klimat med många dagar med höga temperaturer, så intelligenta kontroller har strikta miljökrav. I Indonesien krävs generellt ett relativt fuktighetsområde på 5% - 95% och en yttre temperaturområde på -5 - 55°C för intelligenta kontrollkabinetter, utan bildning av frost. För att uppnå kylning, avfuktning och förebyggande av kondensering för utomhuskontrollkabinetter använder denna studie metoden att installera luftkonditioneringsenheter på sidan av kabinettdörrarna.
Angående den huvudsakliga elektriska kabelförbindelsen, är det nödvändigt att säkerställa dess tillförlitlighet, ekonomisk effektivitet, driftbarhet och säkerhet under drift. För 110 kV elektriska kabelförbindelser med enkel busbar används vanligtvis delningskabelförbindelse eller brotypisk kabelförbindelse. Brotypisk kabelförbindelse har färre brytare och lägre investering, men dess tillförlitlighet är mindre än delningskabelförbindelsen, och svårighetsgraden för efterföljande ändring och utbyggnad är högre. Därför använder denna studie brytare för att dela busbaren. Med denna delningsmetod kan de återstående busbarsdelarna fortfarande leverera ström normalt vid fel på en busbarsdel, vilket garanterar tillförlitlig service. Den enkla busbardelningen är relativt enkel, med färre utrustningskomponenter, och erbjuder hög tillförlitlighet och driftbarhet. Strukturen för den förbättrade intelligenta understationen visas i figur 1.
Transformatorer inom understationen, som viktig utrustning, spelar en viktig roll i tillståndsidentifiering. Med hänsyn till investeringskostnader och användningsscenarier, använder designkonceptet i denna studie en online-dissolverad gasövervakningsenhet i olja och en online-järnkärngroundingströmsövervakningsenhet. Den förra, som kostar cirka 200 000 RMB per enhet, används för att identifiera intern isolering av huvudtransformator, medan den senare används för realtidsovervakning av järnkärngroundingström. Båda teknikerna är relativt mognade och vidt spridda.
Den intelligenta huvudtransformatorn integrerar primär- och sekundärutrustning, vilket möjliggör tillståndsperception och driftstillståndsbedömning. För att underlätta dagligt underhåll och övervakningspass och minska underhållsarbetet väljs naturlig oljecirkulationluftkylning som kylmetod för huvudtransformatorn.
Hybrid-GIS integrerar brytare, kopplingar och strömmätare till en enda enhet, vilket förenklar ombyggnadsprocessen genom att minska antalet utrustningar. Dessutom har utomhus-hybrid-GIS färre utrustningar och flänger, vilket ger högre tillförlitlighet och korrosionsbeständighet, vilket gör att den presterar bra i målområdet. Nominell spänning för hybrid-GIS-bayutrustning är 126 kV, och nominell ström är 2000 A. Varje hybrid-GIS-bayutrustning består av sensorer, intelligenta kontrollkabinetter och SF₆-gas tillståndsövervakningsenheter. Dessa enheter kan identifiera gastype och utrustningsdriftstillstånd, vilket möjliggör digital mätning, informationsinteraktion och tillståndsfrågefunktioner för högspänningskopplingar.
Optimering av distributionsutrustning och allmänt layout
I det ursprungliga intelligent understationsdesignen följde konfigurationen av intelligenta terminalkabinetter och hybrid-GIS-kontroll-samlandekabinetter principen om två kabinetter per bay. Men detta resulterar i många kabelkorsningsloopar, vilket är ogynnsamt för dagligt underhåll. Därför kan sekundära circuit för intelligenta terminaler och hybrid-GIS-mekanismer integreras. Genom att kombinera kontrollpaneler, låsningsloopar, mottripplingar och olikfasloopar i den intelligenta terminalen kan en integrerad design nås.
Optimering av intelligenta kontrollkabinetter omfattar huvudsakligen tre aspekter: (1) Förenkla circuit genom att ersätta hårdledningslogik med lokal terminalprogramlogik; (2) Möjliggöra bay-till-bay kommunikation genom intelligenta terminaler och understationshändelseorienterad objektteknik; (3) Använda en integrerad design av intelligenta terminaler och brytarstyrcircuit för att minska redundanta funktioner som trycklåsningsloopar. Utöver dessa circuitförbättringar bevaras layouten av intelligenta terminaler inom de ursprungliga kontroll-samlandekabinetterna, och anslutningarna mellan intelligenta kontroll-samlandekabinetter och motsvarande utrustning optimeras.
Designkonceptet som föreslås i denna studie använder modulär förfabrikerad hyttsmodell. Layouten av understationen bör baseras på de naturliga förhållandena och ingenjörskraven i målområdet, och ha fördelar som säkerhet, tillförlitlighet, miljövänlighet, brandskydd och bekväm drift och underhåll. I målområdet ordnas 110 kV distributionsutrustning och huvudtransformatorer från nord till söder. För att uppfylla transportkrav sätts en cirkulär brandbekämpningspassage inom understationen, och på platsinstallation av utrustning använder minimal layout. Genom denna layout kan 18% av markytan sparas. Den allmänna layouten av distributionsutrustningen i designkonceptet visas i figur 2.
När det gäller optimering av distributionsdimensioner
Designkonceptet som föreslås i forskningen arrangerar hybrid-GIS-utrustning i två rader, och 110 kV distributionsutrustning använder utomhus aluminium-magnesiumlegering stödande tubbusbar. Standardsektionell baylayout har typiskt linjär disposition av mjuka ledningsbusbar på båda ändar, vilket upptar stor mängd sidoväxt. Tack vare integrationen av hybrid-GIS-utrustning blir dess layout mer kompakt. Forskningen sätter sidoväxten för sektionsbajen till 8 m, vilket är 2 m kortare än tidigare. Standardlongitudinell längd är 39 m. För att optimera longitudinell dimension använder det föreslagna konceptet integrerad utrustning, tar bort inkommande linjestruktur och modifierar busbarramverk, vilket minskar upptaget av longitudinell rymd. Genom dessa två förbättringar är longitudinell dimension i konceptet 25.2 m, 13.8 m kortare än standardlängden, vilket effektivt minskar rymden som upptas av utrustningen.
Prestanda- och kostnadsanalys av intelligenta förfabrikerade understationer
Efter att förfabrikerade understationer har byggts behöver relevanta justeringssteg utföras för att säkerställa att funktionaliteten för varje enhet kan uppfylla designkraven och möjliggöra normal kommunikation mellan enheter och programvara. Experimentet registrerar och analyserar data som ström, spänningsvärden, aktiv effekt, transformatorstemperatur och effektfaktor för varje brytare i förfabrikerade understationer för att säkerställa stabilt drift av understationsutrustning. Bland dessa, transformatorstemperaturvärden vid olika tidsperioder visas i figur 3.
Genom att observera figur 3(a) kan man finna att temperaturvärdena för fas A, fas B och fas C alla förblir i ett relativt stabilt tillstånd. Temperaturen för fas B är den högsta, som når 43.6 °C från 8:31 till 8:32; temperaturen för fas A varierar mellan 42.0 - 43.2 °C; och temperaturen för fas C förblir runt 42.5 °C. I figur 3(b) är variationen i de insamlade transformatortemperaturvärdena på eftermiddagen också relativt liten. På grund av miljöförändringar är de totala temperaturvärdena för fas A, fas B och fas C högre än morgonens mätvärden, men fortfarande inom det normala temperaturintervallet. Vid 14:32 är temperaturvärdet för fas B 44.1 °C, och vid detta tillfälle är temperaturvärdena för fas A och fas C 42.9 °C respektive 42.6 °C. Under hela mätperioden är den lägsta temperaturen för fas C 42.2 °C och den högsta är 43.7 °C, medan temperaturen för fas A varierar inom intervallet 42.6 - 43.8 °C.
Analys av testdata på plats visar att data från förfabrikerade understationer uppfyller designkraven och följer relevanta acceptansstandarder. När det gäller ekonomisk nytta analyserar och beräknar experimentet olika kostnader för 110 kV distributionsutrustning baserat på livscykelkostnadsteori, och väljer luftisoleringsskärmkonceptet för jämförelse. Jämförelseresultaten visas i figur 4.
I figur 4 är den förhandsinvesteringskostnaden för det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet 2.413 miljoner RMB, vilket är 0.133 miljoner RMB högre än luftisoleringsskärmkonceptet. Detta beror huvudsakligen på att utrustningsinköpskostnaden för det hybrid-GIS-designkonceptet är högre än luftisoleringsskärmkonceptet, och installationsteknikkostnaden är också något högre.
Under drift och underhållsfasen är den krävda kostnadsandel relativt liten. Eftersom understationen i det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet är en obemannad understation krävs endast en liten mängd regelbunden manuell inspektion, vilket minskar dagliga drift- och underhållskostnader. Därför är drift- och underhållskostnaden mycket lägre än luftisoleringsskärmkonceptet.
Årlig fel frekvens för det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet har betydligt minskat, vilket resulterar i en noterbar minskning av underhållskostnader. Dessutom är dess avbrytningskostnad endast 89% av luftisoleringsskärmkonceptet. Med hänsyn tagen till alla faktorer är nuvärdet av livscykelkostnaden för det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet 0.549 miljoner RMB lägre än luftisoleringsskärmkonceptet. Dessutom är 110 kV GIS-intelligent understationsschemat överlägset konventionellt luftisoleringsskärmkoncept.
Slutsats
För att spara stadslandresurser, förkorta byggtiden och öka ekonomisk effektivitet och tillförlitlighet för förfabrikerade understationer, föreslår denna forskning ett utomhus-hybrid-GIS-designkoncept som integrerar brytare och kopplingar. Genom att optimera circuit och anta enkel busbardelning, och optimera det allmänna layoutet, minskas antalet fel och underhållskostnaden.
Testresultaten visar att under insamlingen av transformatortemperatur, förblir temperaturvärdena för fas A, fas B och fas C relativt stabila. På morgonen varierar temperaturen för fas A mellan 42.0 - 43.2 °C, medan temperaturen för fas C stannar runt 42.5 °C. På eftermiddagen varierar temperaturen för fas C från en minimum på 42.2 °C till en maximum på 43.7 °C, och temperaturen för fas A varierar mellan 42.6 °C och 43.8 °C. Data från förfabrikerade understationer uppfyller designkraven och följer relevanta acceptansstandarder.
I livscykelkostnadsanalys, även om den förhandsinvesteringskostnaden för det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet är 2.413 miljoner RMB, 0.133 miljoner RMB högre än luftisoleringsskärmkonceptet, kräver det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet endast en liten mängd regelbunden manuell inspektion. Detta minskar dagliga drift- och underhållskostnader, vilket gör drift- och underhållskostnaden mycket lägre än luftisoleringsskärmkonceptet, och minskar signifikant underhållskostnaden. Beräkningar visar att nuvärdet av livscykelkostnaden för det optimerade hybrid-GIS-designkonceptet är 0.549 miljoner RMB lägre än luftisoleringsskärmkonceptet, vilket visar att det optimerade 110 kV GIS-intelligent understationsschemat är överlägset konventionellt luftisoleringsskärmkoncept.
Men, denna forskning analyserar och optimerar endast den primära understationsdesignen. I framtiden behöver en mer omfattande intelligent design för sekundära understationer genomföras genom att sammanväga kommunikation och landbyggnad.
