Anàlisi de la classificació i tendències d'evolució dels subestacions prefabricades d'alta/baixa tensió

1. Introducció

Les subestacions prefabricades d'alta/baixa tensió, conegudes habitualment com a "subestacions prefabricades", s'abreugen com "subestacions prefabricades" o "subestacions en caixa". A la Xina, anteriorment se les havia anomenat amb diversos noms com "subestacions combinades", "transformadors combinats", "subestacions compactes prefabricades a fàbrica", "unitats de recepció d'alta tensió en caixa" i "subestacions compactes prefabricades". El novembre de 1995, la Comissió Electrotècnica Internacional (IEC) les va denominar oficialment "subestacions prefabricades d'alta/baixa tensió" en l'estàndard IEC 1330. L'estàndard actual GB/T 17467—2020 Subestacions Prefabricades d'Alta/Baixa Tensió també adopta el terme "subestacions prefabricades d'alta/baixa tensió", que es referirà com "subestacions prefabricades" en el text següent.

Les característiques principals de les subestacions prefabricades són les següents:

• El disseny i la fabricació del producte es completen a la fàbrica.

• Verificades per les proves de tipus especificades en l'estàndard GB/T 17467.

• Validades mitjançant proves de fàbrica.

La seva composició bàsica consta de tres unitats funcionals, és a dir, la sala de transformadors, la sala de commutadors d'alta tensió i la sala de commutadors de baixa tensió. Els components clau assemblats a l'interior (en l'estàndard, els transformadors, els commutadors d'alta tensió, els commutadors de baixa tensió, etc. són definits com a components clau) han estat verificats com a qualificats tant per les proves de tipus com per les proves de fàbrica. Aquests components es connecten entre si segons calga i s'assemblen dins d'un capsa o caixa compartida per formar un producte de subestació prefabricada. L'esquema típic es verifica per proves de tipus conformant-se als requisits de GB/T 17467, i després es lliura als usuaris per instal·lar i utilitzar després de passar les proves de fàbrica. Això representa la forma estructural bàsica d'una subestació prefabricada típica.

En les aplicacions pràctiques, es integren dispositius d'automatització, unitats de comunicació, sistemes de vigilància per vídeo, sistemes de subministrament de corrent de control, sistemes de protecció contra incendis, etc. a les subestacions prefabricades, convertint-se en components importants o complementaris per satisfer els requisits funcionals de les subestacions prefabricades en diferents condicions de treball.

Els avantatges principals de les subestacions prefabricades inclouen una alta integració, una superfície reduïda, un curt període de construcció, una selecció flexible de l'ubicació, una forta adaptabilitat ambiental, una instal·lació i utilització còmodes, un funcionament segur i fiable, un baix cost d'inversió i resultats ràpids.

En els últims anys, les subestacions prefabricades han experimentat un desenvolupament ràpid i una àmplia aplicació en camps de generació d'energia renovable i emmagatzematge d'energia com ara l'energia eòlica i la generació fotovoltaica, permetent la transmissió o intercanvi d'energia elèctrica.

Escenaris d'aplicació de les subestacions prefabricades: En la xarxa de distribució, les subestacions prefabricades aconsegueixen la distribució d'energia elèctrica mitjançant la reducció de tensió per satisfer els requisits dels usuaris finals; en el sistema de generació d'energia, realitzen la transmissió d'energia elèctrica des del costat de generació a la xarxa mitjançant l'augment de tensió i la connexió a la xarxa.

La capacitat nominal i el nivell de tensió del transformador equipat en les subestacions prefabricades són indicadors importants per mesurar l'escala i la configuració de la subestació. Generalment, per a subestacions prefabricades amb una capacitat nominal del transformador d'aproximadament 10.000 kV·A i un nivell de tensió de 40,5 kV i inferior, el transformador i el commutador o altres equips s'assemblen en un tot, o es transporten al lloc en mòduls separats i després s'assemblen en un tot.

Quan la capacitat del transformador supera els 31.500 kV·A, els equips de suport de commutació i altres equips auxiliars s'installen dins de la caixa de la subestació prefabricada, mentre que els transformadors principals s'installen a l'exterior. Hi ha dos o més transformadors principals, que finalment es connecten per formar una subestació completa, permetent així la transmissió o intercanvi d'energia elèctrica.Aquest article classifica les subestacions prefabricades des de punts de vista com la direcció de desenvolupament de la indústria o les característiques principals del producte, i analitza les seves tendències de desenvolupament dins del camp de les subestacions.

2. Mètodes de Classificació Convencionals de les Subestacions Prefabricades

En les aplicacions pràctiques, les subestacions prefabricades varien significativament en termes de la capacitat nominal i les característiques estructurals del transformador, el nivell de tensió nominal, els components clau, el material i la forma estructural de la caixa, els escenaris d'aplicació i els propòsits principals. A més, degut a les diferències en els camps d'aplicació, els estàndards de la indústria i els mètodes de verificació del producte també varien. Es classifiquen les subestacions prefabricades des de diferents dimensions o basant-se en les seves característiques principals.

1) Classificació segons el Nivell de Tensió Nominal al Costat d'Alta Tensió

Les subestacions prefabricades es classifiquen segons el nivell de tensió nominal al costat d'alta tensió en: subestacions prefabricades d'alta tensió, subestacions prefabricades de mitjana tensió i subestacions prefabricades de baixa tensió. El nivell de tensió nominal al costat d'alta tensió de les subestacions prefabricades d'alta tensió és de 110 kV i superior, el de les subestacions prefabricades de mitjana tensió es troba entre 3,6 i 40,5 kV, i el de les subestacions prefabricades de baixa tensió és de 1,14 kV i inferior.

Les subestacions prefabricades d'alta tensió generalment s'installen proper a la zona central de la càrrega elèctrica. Sovint adopten un mode de construcció de subestacions que combina la fabricació modular amb la construcció in situ. Presenten un nivell de tensió elevat al costat d'alta tensió del transformador, una gran capacitat unitària i un nombre relativament gran d'equips de suport primari i secundari.

Les subestacions prefabricades de mitjana tensió s'utilitzen normalment en sistemes de generació d'energia, en els terminus de la xarxa de distribució o en escenaris de subministrament d'energia temporal. La configuració del seu esquema és relativament simple, la capacitat del transformador és relativament petita, i el procés de fabricació és relativament senzill.Les subestacions prefabricades de baixa tensió generalment instal·len equips de control secundari, equips auxiliars o commutadors de baixa tensió a l'interior per complir requisits funcionals específics.

2) Classificació segons l'Ús o l'Entorn d'Instal·lació

Es classifiquen en subestacions prefabricades interiors i subestacions prefabricades exteriors segons l'ús o l'entorn d'instal·lació. Les subestacions prefabricades mencionades habitualment generalment es referiran a les de tipus exterior. A més, en algunes fàbriques, edificis o al costat d'equips elèctrics interiors amb una càrrega de potència relativament petita, les subestacions prefabricades de suport són subestacions prefabricades interiors. El seu entorn d'ús o nivell de protecció és relativament millor que el de les subestacions prefabricades exteriors, i el producte en si mateix té requisits lleugerament inferiors en protecció ambiental i seguretat.

3) Classificació segons el Mètode d'Instal·lació del Producte

Es classifiquen en subestacions prefabricades fixades i subestacions prefabricades mòbils segons el mètode d'instal·lació del producte. Generalment, les subestacions prefabricades s'installen fixament sobre la base, i la seva posició d'instal·lació no canvia durant l'ús.

En alguns escenaris d'aplicació, com ara mines, camps petrolífers, llocs de construcció i escenaris de subministrament d'energia temporal per a manteniment, a mesura que avança la construcció, sovint cal canviar la ubicació de la subestació prefabricada. Hi ha dos tipus de subestacions prefabricades mòbils: subestacions prefabricades amb rodes i subestacions prefabricades muntades en platja. Quan cal moure la posició de subministrament d'energia de la subestació prefabricada, es pot remorcar i transportar utilitzant un remolc o un semiremolc.

4) Classificació segons el Material Utilitzat per a la Fabricació de la Caixa

Segons els diferents materials utilitzats en la fabricació de la caixa de les subestacions prefabricades, es poden categoritzar en tipus de placa d'acer, tipus no metàl·lic, tipus de placa d'acer inoxidable, tipus de llaminat d'alumini, tipus de placa composta de ferro colorat, tipus de placa Jinbang, tipus de placa revestida de magnesi-alumini-zinc, tipus de contenidor, etc. La característica principal és que els materials o formes estructurals de les caixes de les subestacions prefabricades varien, cosa que pot satisfer les diferents necessitats dels usuaris o requisits d'ús.

5) Classificació segons l'Aparença de la Caixa o el Grau de Coordinació amb l'Entorn

Segons els requisits especials de les subestacions prefabricades per a l'entorn d'ús circumdant, es poden dividir més en profunditat en tipus ordinaris, tipus paisatgístic (per exemple, la superfície de la caixa té estils que imiten l'arquitectura antiga xinesa, l'arquitectura europea, models artístics o pintures paisatgístiques adherides), etc. Per exemple, la subestació prefabricada utilitzada en un parc té la forma d'un pavelló o un edifici que s'ajusta a l'entorn del parc, i la seva superfície està decorada amb pintures paisatgístiques o diferents tons de color.

6) Classificació segons Diferents Mètodes d'Instal·lació

Segons el grau de combinació entre la subestació prefabricada i la base, es pot dividir en subestacions prefabricades a l'aire lliure, subestacions prefabricades semi-soterrades i subestacions prefabricades totalment soterrades.Una subestació prefabricada a l'aire lliure instal·la la subestació prefabricada completa a la part superior de la base. En una subestació prefabricada semi-soterrada, les sales de commutadors d'alta tensió i de baixa tensió entre les tres sales funcionals bàsiques es troben a la part superior de la base, mentre que la sala de transformadors es troba a la part inferior i s'enfonsa a la base.

El volum total del producte és relativament petit. Una subestació prefabricada totalment soterrada significa que el producte sencer s'enfonsa a la base, amb només obertures d'inspecció o forats de ventilació exposats a la part superior de la base. Aquest tipus de producte és particularment adequat per al centre de la ciutat o zones nuclials densament poblades, reduint l'impacte visual del producte en l'entorn d'ús i augmentant la seguretat i fiabilitat de l'operació del producte.

7) Classificació segons Diferents Mètodes d'Organització de les Sales Funcionals

Segons les diferents organitzacions o combinacions de les tres sales funcionals bàsiques (sala d'alta tensió, sala de baixa tensió i sala de transformadors) de les subestacions prefabricades, es poden dividir més en profunditat en subestacions prefabricades en forma de "ull", subestacions prefabricades en forma de "caràcter-pin", subestacions prefabricades en forma de "H", subestacions prefabricades en forma de "mancles", subestacions prefabricades en forma de "camp", etc.

En la subestació prefabricada en forma de "ull", la sala de transformadors es disposa al mig, mentre que les sales d'alta tensió i de baixa tensió es disposen a cada costat. La seva disposició general és similar a la dels "caràcters xinesos" en els caràcters xinesos. En una subestació prefabricada en forma de "agulla", les tres sales funcionals es disposen juntes, similar a la forma del caràcter xinès "".

En la subestació prefabricada en forma de "H", les sales d'alta tensió i de baixa tensió es fan en caixes separades, i les parts vives del transformador immers en líquid es tanquen completament i es col·loquen entre les dues caixes. A més, es fa servir una pantalla de malles a cada costat del transformador per a una protecció i isolació simples, millorant així les condicions de dissipació de calor durant l'operació del transformador. En una subestació prefabricada en forma de "mancles", hi ha en realitat un conjunt de quadres de commutació d'alta tensió, dos conjunts de transformadors i quadres de commutació de baixa tensió.

La sala d'alta tensió es troba al mig de la caixa, mentre que la sala de transformadors i la sala de baixa tensió es troben respectivament a cada costat de la sala de transformadors. La disposició general de cada sala funcional té la forma de "mancles". En una subestació prefabricada en forma de "camp", la sala de baixa tensió es divideix en dos compartiments independents (la sala de commutació de baixa tensió i la sala d'automatització). Junts amb la sala d'alta tensió i la sala de transformadors, la disposició general adquireix la forma del caràcter xinès "Word".

8) Classificació segons l'Apel·latiu Habitual

Segons les característiques principals i l'apel·latiu habitual del producte, les subestacions prefabricades es divideixen en subestacions estil europeu, subestacions estil americà i subestacions estil xinès.

Les unitats clau (comutadors d'alta tensió, comutadors de baixa tensió, transformadors) de les subestacions prefabricades són tots productes estàndard que s'han finalitzat després de les proves de tipus. Inicialment, es van introduir principalment des de països europeus com Alemanya, coneguts com a "subestacions estil europeu". Les seves característiques principals inclouen la interconnexió i combinació de components clau, esquemes de disseny flexibles i canviants, i una expansió de capacitat del transformador relativament convenient. Actualment, es fan servir ampliament tant en la xarxa de distribució com en sistemes de generació d'energia.

Segons l'estàndard JB/T 10217, una subestació estil americà és una subestació prefabricada en la qual el commutador d'alta tensió s'instal·la en el dipòsit d'oli del transformador i s'utilitza l'oli del transformador com a medi d'isolació i extingiment d'arc, mentre que el commutador de baixa tensió s'instal·la en la caixa de baixa tensió. Per exemple, la subestació prefabricada econòmica de 10 kV representada per la Companyia Cooper Americana es coneix habitualment com a "subestació estil americà".

La característica principal d'una subestació estil americà és que el commutador de càrrega d'alta tensió, el nucli del transformador, les bobines, etc. estan immergits en el mateix dipòsit d'oli, i l'oli del transformador es fa servir conjuntament com a medi d'isolació, extingiment d'arc i refrigeració. Fa servir una protecció dual de fusibles, i els fusibles tenen característiques doblement sensibles a la corrent i la temperatura, el que augmenta considerablement la sensibilitat i fiabilitat de la protecció del transformador. Els avantatges principals de les subestacions estil americà són el seu petit tamany, la seva estructura compacta, la seva simplicitat i economia.

No obstant això, els seus defectes també són evidents, com la ràpida degradació del rendiment d'isolació de l'oli del transformador, un esquema simple i poca flexibilitat. L'arc generat pel tancament i obriment del commutador d'alta tensió provocarà la deterioració de la qualitat de l'oli del transformador. Actualment, les subestacions estil americà de 10 kV s'utilitzen poc en la xarxa de distribució i s'han classificat com a productes que es van eliminant o limitant.

Després de la modificació i actualització, les subestacions estil americà de 10 kV han augmentat el nivell de tensió a 35 kV i s'apliquen en sistemes de generació d'energia renovable. Degut a la seva estructura compacta, el seu petit espai ocupat i el seu baix cost de fabricació, es promouen i s'utilitzen cada vegada més.

En els darrers anys, les subestacions prefabricades utilitzades en sistemes d'energia renovable com ara l'energia eòlica i la generació fotovoltaica, tenen com a funció principal la transmissió d'energia elèctrica des del costat de generació amb un nivell de tensió inferior a una subestació d'alta tensió de 35 kV. La capacitat del transformador es va fent cada vegada més gran. Si es dissenya en la forma de "subestacions estil europeu", el transformador s'instal·la de manera tancada a la sala de transformadors, i és difícil dissipar el calor generat a l'exterior.

Cal utilitzar equipaments addicionals com ventiladors o intercanviadors de calor per resoldre aquest problema. Per tant, ha aparegut una subestació prefabricada amb una estructura relativament compacta i un transformador immers en líquid instal·lat fora de la caixa. Les seves característiques principals són: el transformador s'instal·la a l'exterior, resolent els problemes de protecció i dissipació de calor del transformador, i el cost de fabricació es redueix considerablement. Sembla una mica semblant a una "subestació estil americà" en aparença, però en essència encara pertany a una "subestació estil europeu". Quan va aparèixer per primera vegada a la indústria, se li va anomenar "subestació prefabricada compacta". Com que va ser desenvolupada amb èxit per primera vegada a la Xina i s'aplicà a projectes d'enginyeria reals, es coneix habitualment com a "subestació estil xinès" a la indústria. No obstant això, les seves característiques de producte són més acordes amb els requisits de l'estàndard GB/T 40823.

3. Tendències de Desenvolupament de les Subestacions Prefabricades

S'analitzen les tendències de desenvolupament de les subestacions prefabricades des de diferents aspectes.

1) Diversificació dels Materials i Formes Estructurals de Fabricació de la Caixa

El canvi més intuïtiu i perceptible és que les formes estructurals de les caixes de les subestacions prefabricades estan mostrant una tendència a la diversificació, que es pot observar en la forma, el color i el material de les caixes. La caixa hauria de estar en harmonia amb l'entorn circumdant. Per exemple, les subestacions estil europeu generalment s'enfonsen 1 m sota terra, i la part a l'aire lliure no és més alta de 1,5 m, cosa que ni afecta la visió a llargues distàncies ni causa ferits accidentals si els nens juguen escalant. Els materials utilitzats són no metàl·lics, que són amables amb l'ambient i fàcilment coordinats amb l'entorn circumdant.

Els materials comuns per a la carcassa externa inclouen plaques d'acer ordinàries, plaques d'acer inoxidable, plaques d'alluminio i plaques compostes de ferro colorat. Fa anys, també es van utilitzar plaques de ciment reforçat amb fibra de vidre, plaques de poliester reforçat amb fibra de vidre i materials no metàl·lics. A més, hi pot haver diversos materials en la mateixa caixa. Per exemple, l'exterior d'una caixa ordinària pot estar decorat amb taules de fusta i panells decoratius de rajola vidrada, i es fan servir materials aïllants com el poliester expandit (EPS), la fibra de vidre, l'amiant i la lana de silicat d'alumini a la capa intermèdia de l'estructura doble.

En termes de resistència a la corrosió, al foc i a l'arc de falla, les cares de material no metàl·lic són notòriament superiors a les cares de material metàl·lic. Algunes subestacions prefabricades fan servir plaques Jinbang com a material de carcassa, que es caracteritzen per ser ecològiques, lleugeres, de força alta, aïllants acústics, aïllants tèrmics, impermeables, ignífugs i anticorrosius.

2) Promoció i Aplicació Força de l'Equipament de Commutació Aïllat amb Gas SF6

Per a les subestacions prefabricades amb un nivell de tensió de 40,5 kV i inferior, el costat d'alta tensió generalment fa servir circuit breakers o commutadors de càrrega aïllats per aire o gas SF6, i alguns productes fan servir commutadors de càrrega amb oli de transformador com a medi d'isolació.

En les subestacions prefabricades de 12 kV, ja que la capacitat del transformador generalment és inferior a 1.250 kV·A, s'estan fent servir cada vegada més aparells electrònics combinats (commutador de càrrega + fusible) o commutadors de càrrega. Quan es fa servir un circuit breaker per protegir el transformador, el temps per tallar la línia defectuosa és lleugerament més llarg, el que no és favorable per a la protecció de l'equipament clau (com ara el transformador). Tanmateix, el fusible en l'aparell electrònic combinat pot tallar la corrent de falla en menys de 20 ms.

Les unitats de commutador de càrrega per al nivell de tensió de 12 kV inclouen armaris de commutador de càrrega generador de