110 kV yüksek gerilimli GIS anahtarlama ekipmanı temelli akıllı kutu tipi trafo istasyonu tasarım araştırması
Coğrafi Bilgi Sistemi (GIS) Tabanlı Dağıtım Ekipmanlarının Seçimi ve Kurulumu
Şu anda yaygın olarak kullanılan dağıtım ekipmanları genellikle açık hava yalıtımlı anahtar kumandası, geleneksel kapalı hava yalıtımlı anahtar kumandası (GIS), çelik yapısal kapalı hava yalıtımlı anahtar kumandası (GIS) ve hibrit açık hava GIS'yi içerir. Bu çalışma, Endonezya'daki alt trafişlerde akıllı önceden monte edilmiş alt trafişler için dağıtım ekipmanlarının kurulumunu tamamlamayı amaçlamaktadır. Endonezya'daki çoğu alt trafiş, karmaşık arazilere ve düşük yük yoğunluğuna sahip bölgelerdedir. Mevcut planda, bölgesel elektrik şebekesi geliştirme stratejisi, mevcut 110 kV hatları kullanarak küçük kapasiteli alt trafişler inşa etmeyi içerir. Bu temele dayanarak, voltaj seviyeleri azaltılacak, yatırım verimliliği maksimize edilecek, ekipman kullanımı artırılacak ve 35 kV alt trafişlerin rolü azaltılacaktır. Endonezya elektrik şebekesindeki alt trafişler büyük ölçekli olup, yüksek yatırım ve ekipman maliyetleri ile uzun inşaat dönemleri gerektirmektedir, bu da ekipman seçimi ve dağıtım ekipmanlarının kurulumunda daha fazla optimizasyona ihtiyaç duymaktadır.
Hibrit açık hava GIS, devre kesicileri ve ayrık anahtarlara entegre eder, geleneksel busbarlar kullanır. Bu düzen, flanş sayısı ve açık hava ekipmanlarını azaltarak hedef bölgedeki arazi kullanımını artırabilir. Ayrıca, hibrit GIS yaklaşımı, kurulum ve genişletme zorluklarını düşürerek, dağlık ve tepe gibi bölgelerde ekipman kurulumu ve bakımı kolaylaştırır.
Endonezya'nın nispeten nemli bir iklimi vardır ve çok sayıda sıcak gün geçirdiği için, akıllı kontrol sistemleri sıkıcı çevre koşullarına sahiptir. Endonezya'da, akıllı kontrol kabinleri genellikle %5 - 95 arasında nispi nem ve -5 - 55°C arasında çevresel sıcaklık aralığına sahip olmalı ve don oluşturmaması gerekmektedir. Açık hava kontrol kabinlerinin soğutulması, nem alınması ve buharlaşma önlenmesi için bu çalışma, kabin kapısının yanına klima kurulumu yöntemini benimsemiştir.
Ana elektrik bağlantıları konusunda, güvenilirliği, ekonomik verimliliği, işletilebilirliğini ve güvenliğini sağlama önemlidir. 110 kV elektrik bağlantıları için tek busbar, genellikle bölümlendirilmiş veya köprü tipi bağlantılama kullanılır. Köprü tipi bağlantılama, daha az devre kesiciye ve daha düşük bir investmane sahip olsa da, bölümlendirilmiş bağlantılamanın güvenilirliğinden daha düşük ve sonraki değişiklik ve genişletme zorluğu daha yüksektir. Bu nedenle, bu çalışma, busbarı bölümlendirmek için devre kesiciler kullanmaktadır. Bu bölümlendirme yöntemiyle, busbarın bir bölümü başarısız olursa, diğer bölümler normal şekilde güç sağlayabilir, böylece güvenilir hizmet sağlanır. Tek busbar bölümlendirme, nispeten basittir, daha az ekipman bileşeni vardır ve yüksek güvenilirlik ve işletilebilirliğe sahiptir. İyileştirilmiş akıllı alt trafişin yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir.
Alt trafiş içindeki dönüştürücüler, durum algılama açısından önemli ekipmanlardır. Yatırım maliyetleri ve uygulama senaryoları göz önünde bulundurularak, bu çalışmanın tasarım şeması yağda çözünmüş gaz izleme cihazı ve online çekirdek topraklama akımı algılama cihazı kullanmaktadır. İlki, yaklaşık 200.000 CNY birim fiyatla, ana dönüştürücünün iç yalıtımını tespit etmek için kullanılırken, ikincisi gerçek zamanlı olarak çekirdek topraklama akımını tespit etmek içindir. Her iki teknoloji de oldukça olgunlaşmış ve yaygın olarak uygulanmaktadır.
Akıllı ana dönüştürücü, birincil ve ikincil ekipmanları entegre ederek durum algılama ve işletme durumu değerlendirmesini sağlar. Günlük bakım ve gözetim vardiyalarını kolaylaştırmak ve bakım iş yükünü azaltmak için, ana dönüştürücü için doğal yağ döngüsü hava soğutma seçildi.
Hibrit GIS, devre kesicileri, anahtarlari ve akım dönüştürücülerini tek bir varlıkta birleştirerek, ekipman sayısını azaltarak yeniden inşaat sürecini basitleştirir. Ayrıca, açık hava hibrit GIS, daha az ekipman ve flanşa sahip olduğundan, daha yüksek güvenilirlik ve korozyon direncine sahiptir, bu da hedef bölgede iyi performans göstermesini sağlar. Hibrit GIS bay ekipmanının nominal gerilimi 126 kV ve nominal akımı 2000 A'dır. Her hibrit GIS bay ekipmanı, sensörler, akıllı kontrol kabinleri ve SF₆ gaz durumu algılama cihazlarından oluşur. Bu cihazlar, gaz durumunu ve ekipman çalışma durumunu tespit edebilir, yüksek gerilim anahtarlama cihazları için dijital ölçüm, bilgi etkileşimi ve durum sorgulama fonksiyonlarına olanak tanır.
Dağıtım Ekipmanlarının ve Genel Düzenin Optimizasyonu
Orijinal akıllı alt trafiş tasarımında, akıllı terminal kabinleri ve hibrit GIS kontrol-toplama kabinlerinin konfigürasyonu, her bay için iki kabini tahsis etme düzenine uygun olarak yapılandırılmıştır. Ancak, bu yaklaşım, günlük bakıma elverişsiz birçok kablo çaprazlaması oluşturur. Bu nedenle, akıllı terminal ve hibrit GIS mekanizmasının ikincil devreleri birleştirilebilir. Kontrol paneli, kilitleme döngüleri, anti-kapanma döngüleri ve eş-zamanlı olmayan döngüleri akıllı terminal ile birleştirerek, tümleşik bir tasarım elde edilebilir.
Akıllı kontrol kabinlerinin optimizasyonu, üç aspekti içerir: (1) Yerel terminal yazılı mantığı ile sert-wiring mantığını değiştirerek devreyi basitleştirme; (2) Akıllı terminal ve alt trafiş olay odaklı nesne teknolojisi aracılığıyla bay-bay iletişim sağlama; (3) Akıllı terminal ve devre kesici kontrol devrelerinin tümleşik tasarımını benimseyerek basınç kilitleme döngüleri gibi yedek fonksiyonları azaltma. Bu devre iyileştirmeleri yanı sıra, orijinal kontrol-toplama kabinlerindeki akıllı terminalin yerleşimi korunur ve akıllı kontrol-toplama kabinleri ile ilgili ekipman arasındaki bağlantılar optimize edilir.
Bu çalışmada önerilen tasarım şeması, modüler önceden monte edilmiş kabin modelini kullanır. Alt trafişin yerleşimi, hedef bölgenin doğal koşulları ve mühendislik gerekliliklerine dayanmalıdır ve güvenlik, güvenilirlik, çevre dostluğu, yangın koruması ve kolay işletme ve bakım avantajlarına sahip olmalıdır. Hedef bölgede, 110 kV dağıtım ekipmanları ve ana dönüştürücüler kuzeyden güneye doğru yerleştirilmiştir. Taşıma gerekliliklerini karşılamak için, alt trafişin içinde bir dairesel itfaiye geçidi kurulmuştur ve yerel ekipman kurulumu minimal yerleşim kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yerleşimle, toplam arazi alanının %18'i tasarruf edilebilir. Tasarım şemasındaki dağıtım ekipmanlarının genel yerleşimi Şekil 2'de gösterilmiştir.
Dağıtım boyutlarının optimizasyonu açısından
Araştırma tarafından önerilen tasarım şeması, hibrit GIS ekipmanlarını iki sıra halinde düzenler ve 110 kV dağıtım ekipmanları için açık hava alüminyum-magnez alaşımı destek tüp busbarları kullanır. Standart bölümlendirilmiş bay yerleşimi genellikle her iki uçta yumuşak boru busbarların doğrusal bir düzenlemesi ile karakterize olup, büyük miktarda lateral alanı kaplar. Hibrit GIS ekipmanlarının entegrasyonu sayesinde, yerleşim daha kompakt hale gelir. Araştırma, bölümlendirilmiş bayın lateral boyutunu 8 m olarak belirler, bu, öncekinden 2 m daha kısaydı. Standart longitudinal uzunluk 39 m'dir. Longitudinal boyutun optimizasyonu için, önerilen şema, entegre ekipmanları kullanır, giriş hatı yapısını kaldırır ve busbar çerçevesini değiştirerek, longitudinal alan kullanımını azaltır. Bu iki iyileştirmenin sonucunda, şemadaki longitudinal boyut 25.2 m, standart uzunluğundan 13.8 m daha kısa olup, ekipmanların kapladığı alanı etkili bir şekilde azaltır.
Akıllı Önceden Monte Edilmiş Alt Trafişlerin Performans ve Maliyet Analizi
Önceden monte edilmiş alt trafişin inşaatı tamamlandıktan sonra, her bir cihazın işlevlerinin tasarım gereksinimlerini karşılayıp karşılaşmadığını ve cihazlar ve yazılımlar arasındaki normal iletişimin sağlanması için ilgili komisyonlandırma adımları gerçekleştirilmelidir. Deney, önceden monte edilmiş alt trafişteki her bir anahtardaki akım, voltaj değerleri, aktif güç, dönüştürücü sıcaklığı ve güç faktörü gibi verileri kaydeder ve analiz eder, böylece alt trafiş ekipmanlarının istikrarlı işlemesini sağlar. Bunlar arasında, farklı zaman dilimlerindeki dönüştürücü sıcaklık değerleri Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 3(a)'ya bakıldığında, A, B ve C fazlarının sıcaklık değerlerinin hepsinin nispeten istikrarlı bir durumda olduğu görülebilir. B fazının sıcaklığı en yüksektir, 8:31 ile 8:32 arasında 43.6 °C'ye ulaşır; A fazının sıcaklığı 42.0 - 43.2 °C arasında değişir; ve C fazının sıcaklığı 42.5 °C civarında kalır. Şekil 3(b) de, öğleden sonra toplanan dönüştürücü sıcaklık değerlerinin değişiminin de nispeten küçük olduğunu gösterir. Çevresel değişiklikler nedeniyle, A, B ve C fazlarının genel sıcaklık değerleri sabah ölçümlerinden daha yüksek olmasına rağmen, hala normal sıcaklık aralığındadır. 14:32'de, B fazının sıcaklık değeri 44.1 °C'dir, bu sırada A ve C fazlarının sıcaklık değerleri sırasıyla 42.9 °C ve 42.6 °C'dir. Tüm ölçüm süresince, C fazının en düşük sıcaklık değeri 42.2 °C, en yüksek sıcaklık değeri ise 43.7 °C'dir, A fazının sıcaklığıysa 42.6 - 43.8 °C arasında dalgalanır.
Alan test verilerinin analizi, önceden monte edilmiş alt trafişin verilerinin tasarım gereksinimlerini karşladığını ve ilgili kabul standartlarına uyduğunu göstermektedir. Ekonomik fayda açısından, yaşam döngüsü maliyet teorisi temelinde, deney 110 kV dağıtım ekipmanlarının çeşitli maliyetlerini analiz eder ve hesaplar, ve hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasını karşılaştırma amacıyla seçer. Karşılaştırma sonuçları Şekil 4'te gösterilmiştir.
Şekil 4'te, optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şemasının ön yatırım maliyeti 2.413 milyon CNY'dir, bu, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından 0.133 milyon CNY daha yüksektir. Bu, çoğunlukla hibrit GIS tasarım şemasının ekipman satın alma maliyetinin hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından daha yüksek olması ve kurulum maliyetinin de biraz daha yüksek olması nedeniyledir.
İşletme ve bakım aşamasında, gerekli maliyet oranı nispeten küçüktür. Optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şemasına göre alt trafişin, insansız bir alt trafiş olması nedeniyle, sadece az miktarda düzenli manuel muayeneye ihtiyaç vardır, bu da günlük işletme ve bakım maliyetlerini azaltır. Bu nedenle, işletme ve bakım maliyeti, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından çok daha düşüktür.
Optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şemasının yıllık arıza olasılığı önemli ölçüde azaltılmıştır, bu da bakım maliyetlerinde belirgin bir azalmaya yol açmıştır. Ayrıca, yıkım maliyeti, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasının %89'udur. Tüm faktörler göz önüne alındığında, optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şemasının yaşam döngüsü maliyetinin bugünkü değeri, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından 0.549 milyon CNY daha düşüktür. Ayrıca, 110 kV GIS akıllı alt trafiş şeması, geleneksel hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasına göre üstün bir seçenektir.
Sonuç
Şehir arazisi kaynaklarını tasarruf etmek, inşaat süresini kısaltmak ve önceden monte edilmiş alt trafişlerin ekonomik verimliliğini ve güvenilirliğini artırmak amacıyla, bu araştırma, devre kesicileri ve ayrık anahtarlara entegre eden bir açık hava hibrit GIS tasarım şeması önermektedir. Devrenin optimizasyonu, tek busbar bölümlendirilmiş bağlantılama ve genel yerleşimin optimizasyonu ile birlikte, arızaların sayısı azaltılmış ve bakım maliyeti düşürülmüştür.
Test sonuçları, dönüştürücü sıcaklığının toplanması sırasında, A, B ve C fazlarının sıcaklık değerlerinin nispeten istikrarlı kaldığını göstermektedir. Sabah, A fazının sıcaklığı 42.0 - 43.2 °C arasında değişirken, C fazının sıcaklığı 42.5 °C civarında kalır. Öğleden sonra, C fazının sıcaklığı 42.2 °C ile 43.7 °C arasında, A fazının sıcaklığıysa 42.6 °C ile 43.8 °C arasında dalgalanır. Önceden monte edilmiş alt trafişin verileri, tasarım gereksinimlerini karşlar ve ilgili kabul standartlarına uygun olarak bulunmuştur.
Yaşam döngüsü maliyet analizinde, optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şemasının ön yatırım maliyeti 2.413 milyon CNY'dir, bu, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından 0.133 milyon CNY daha yüksektir. Ancak, optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şeması, sadece az miktarda düzenli manuel muayeneye ihtiyaç duyar. Bu, günlük işletme ve bakım maliyetlerini azaltır ve işletme ve bakım maliyeti, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından çok daha düşüktür. Ayrıca, bakım maliyeti de belirgin bir şekilde azalır. Hesaplamalar, optimize edilmiş hibrit GIS tasarım şemasının yaşam döngüsü maliyetinin bugünkü değerin, hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasından 0.549 milyon CNY daha düşük olduğunu göstermektedir. Bu, optimize edilmiş 110 kV GIS akıllı alt trafiş şemasının, geleneksel hava yalıtımlı anahtar kumandası şemasına göre üstün olduğunu göstermektedir.
Ancak, bu araştırma sadece birincil alt trafiş tasarımının analiz ve optimizasyonunu kapsamaktadır. Gelecekte, ikincil alt trafişler için daha kapsamlı bir akıllı tasarım, iletişim ve arazi inşaatını kapsamlı olarak düşünerek gerçekleştirilmelidir.
