Análisis de la Clasificación y Tendencias de Desarrollo de Subestaciones Prefabricadas de Alta/Baja Tensión
1. Introducción
Las subestaciones prefabricadas de alta y baja tensión, comúnmente conocidas como "subestaciones prefabricadas", se abrevian como "subestaciones prefabricadas" o "subestaciones en caja". En China, anteriormente se les ha dado varios nombres, como "subestaciones combinadas", "transformadores combinados", "subestaciones compactas ensambladas en fábrica", "unidades de recepción de alta tensión en caja" y "subestaciones compactas prefabricadas". En noviembre de 1995, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) las nombró oficialmente "subestaciones prefabricadas de alta y baja tensión" en la norma IEC 1330. La norma actual GB/T 17467—2020 Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión también adopta el término "subestaciones prefabricadas de alta y baja tensión", que se referirá como "subestaciones prefabricadas" en el texto siguiente.
Las principales características de las subestaciones prefabricadas son las siguientes:
El diseño y fabricación del producto se completan en la fábrica.
Verificadas por las pruebas de tipo según lo especificado en la norma GB/T 17467.
Validadas mediante pruebas de fábrica.
Su composición básica consta de tres unidades funcionales, a saber, la sala de transformadores, la sala de interruptores de alta tensión y la sala de interruptores de baja tensión. Los componentes clave ensamblados en su interior (en la norma, los transformadores, interruptores de alta tensión, interruptores de baja tensión, etc., se definen como componentes clave) han sido verificados como aptos tanto a través de pruebas de tipo como de fábrica. Estos componentes están conectados entre sí según sea necesario y ensamblados dentro de un compartimento compartido o caja para formar un producto de subestación prefabricada. El esquema típico se verifica mediante pruebas de tipo de acuerdo con los requisitos de GB/T 17467, y luego se entrega a los usuarios para su instalación y uso después de pasar las pruebas de fábrica. Esto representa la forma estructural básica de una subestación prefabricada típica.
En aplicaciones prácticas, se integran dispositivos de automatización, unidades de comunicación, sistemas de vigilancia por video, sistemas de alimentación de control, sistemas de protección contra incendios, etc., en las subestaciones prefabricadas, convirtiéndose en componentes importantes o complementos para satisfacer los requisitos funcionales de las subestaciones prefabricadas en diferentes condiciones de trabajo.
Las principales ventajas de las subestaciones prefabricadas incluyen alta integración, pequeño espacio ocupado, corto período de construcción, flexibilidad en la selección del sitio, fuerte adaptabilidad al medio ambiente, instalación y uso conveniente, operación segura y confiable, bajo costo de inversión y resultados rápidos.
En los últimos años, las subestaciones prefabricadas han experimentado un rápido desarrollo y una amplia aplicación en campos de generación de energía renovable y almacenamiento de energía, como la energía eólica y la fotovoltaica, permitiendo la transmisión o intercambio de energía eléctrica.
Escenarios de aplicación de las subestaciones prefabricadas: En la red de distribución, las subestaciones prefabricadas logran la distribución de la energía eléctrica a través de la reducción de voltaje para satisfacer las necesidades de los usuarios finales; en el sistema de generación de energía, realizan la transmisión de la energía eléctrica desde el lado de la generación a la red a través del aumento de voltaje y la conexión a la red.
La capacidad nominal y el nivel de tensión del transformador equipado en las subestaciones prefabricadas son indicadores importantes para medir la escala y configuración de la subestación. Generalmente, para subestaciones prefabricadas con una capacidad nominal del transformador de alrededor de 10,000 kV·A y un nivel de tensión de 40.5 kV y menos, el transformador y los interruptores u otros equipos se ensamblan en un todo, o se transportan al sitio en módulos separados y luego se ensamblan en un todo.
Cuando la capacidad del transformador supera los 31,500 kV·A, el equipo de interruptores de apoyo y otros equipos auxiliares se instalan dentro de la caja de la subestación prefabricada, mientras que los transformadores principales se instalan al aire libre. Hay dos o más transformadores principales, que finalmente se conectan para formar una subestación completa, permitiendo así la transmisión o intercambio de energía eléctrica.Este artículo clasifica las subestaciones prefabricadas desde aspectos como la dirección de desarrollo de la industria o las principales características del producto, y analiza sus tendencias de desarrollo en el campo de las subestaciones.
2. Métodos Convencionales de Clasificación de Subestaciones Prefabricadas
En aplicaciones prácticas, las subestaciones prefabricadas varían significativamente en términos de la capacidad nominal y las características estructurales del transformador, el nivel de tensión nominal, los componentes clave, el material y la forma estructural de la caja, los escenarios de aplicación y los propósitos principales. Además, debido a las diferencias en los campos de aplicación, también difieren las normas de la industria y los métodos de verificación de productos. A continuación, se clasifican las subestaciones prefabricadas desde diferentes dimensiones o basándose en sus principales características.
1) Clasificación por el Nivel de Tensión Nominal en el Lado de Alta Tensión
Las subestaciones prefabricadas se clasifican según el nivel de tensión nominal en el lado de alta tensión en: subestaciones prefabricadas de alta tensión, subestaciones prefabricadas de media tensión y subestaciones prefabricadas de baja tensión. El nivel de tensión nominal en el lado de alta tensión de las subestaciones prefabricadas de alta tensión es de 110 kV y superior, el de las subestaciones prefabricadas de media tensión oscila entre 3.6 y 40.5 kV, y el de las subestaciones prefabricadas de baja tensión es de 1.14 kV y menos.
Las subestaciones prefabricadas de alta tensión generalmente se instalan cerca del centro de la carga eléctrica. A menudo adoptan un modo de construcción de subestación que combina la fabricación modular con la construcción in situ. Se caracterizan por un alto nivel de tensión en el lado de alta tensión del transformador, una gran capacidad unitaria y un número relativamente grande de equipos de apoyo primarios y secundarios.
Las subestaciones prefabricadas de media tensión se utilizan generalmente en sistemas de generación de energía, en los terminales de la red de distribución o en escenarios de suministro de energía temporal. Su configuración esquemática es relativamente simple, la capacidad del transformador es relativamente pequeña, y el proceso de fabricación es relativamente sencillo.Las subestaciones prefabricadas de baja tensión generalmente instalan equipos de control secundario, equipos auxiliares o interruptores de baja tensión en su interior para cumplir con requisitos funcionales específicos.
2) Clasificación por el Uso o Entorno de Instalación
Se clasifican en subestaciones prefabricadas interiores y subestaciones prefabricadas exteriores según el uso o entorno de instalación. Las subestaciones prefabricadas comúnmente mencionadas generalmente se refieren al tipo exterior. Además, en algunas fábricas, edificios o junto a equipos eléctricos interiores con una carga de potencia relativamente pequeña, las subestaciones prefabricadas de apoyo son subestaciones prefabricadas interiores. Su entorno de uso o nivel de protección es relativamente mejor que el de las subestaciones prefabricadas exteriores, y el producto en sí tiene requisitos ligeramente menores en cuanto a protección ambiental y seguridad.
3) Clasificación por el Método de Instalación del Producto
Se clasifican en subestaciones prefabricadas fijas y subestaciones prefabricadas móviles según el método de instalación del producto. Generalmente, las subestaciones prefabricadas se instalan fijamente sobre la base, y su posición de instalación no cambia durante el uso.
En algunos escenarios de aplicación, como minas, campos petrolíferos, sitios de construcción y escenarios de suministro de energía para mantenimiento temporal, a medida que avanza la construcción, a menudo es necesario cambiar la ubicación de la subestación prefabricada. Hay dos tipos de subestaciones prefabricadas móviles: subestaciones prefabricadas con ruedas y subestaciones prefabricadas montadas en patines. Cuando es necesario mover la posición de suministro de la subestación prefabricada, se puede remolcar y transportar utilizando un remolque o un semirremolque.
4) Clasificación por el Material Utilizado para la Fabricación de la Caja
Según los diferentes materiales utilizados en la fabricación de la caja de las subestaciones prefabricadas, se pueden categorizar en tipo de placa de acero, tipo no metálico, tipo de placa de acero inoxidable, tipo de placa de aleación de aluminio, tipo de placa compuesta de acero color, tipo de placa Jinbang, tipo de placa galvanizada de magnesio-aluminio-zinc, tipo de contenedor, etc. La principal característica es que los materiales o formas estructurales de las cajas de las subestaciones prefabricadas varían, lo que puede satisfacer las diferentes necesidades de los usuarios o requisitos de uso.
5) Clasificación por la Apariencia de la Caja o el Grado de Coincidencia con el Entorno
Según los requisitos especiales de las subestaciones prefabricadas para el entorno de uso circundante, se pueden dividir en tipo ordinario, tipo paisajístico (por ejemplo, la superficie de la caja tiene estilos que imitan la arquitectura antigua china, la arquitectura europea, la modelación artística o pinturas paisajísticas adheridas), etc. Por ejemplo, la subestación prefabricada utilizada en un parque tiene la forma de un pabellón o un edificio que coincide con el entorno del parque, y su superficie está decorada con pinturas paisajísticas o diferentes tonos de color.
6) Clasificación por Diferentes Métodos de Instalación
Según el grado de combinación entre la subestación prefabricada y la base, se puede dividir en subestaciones prefabricadas sobre tierra, subestaciones prefabricadas semienterradas y subestaciones prefabricadas totalmente enterradas.Una subestación prefabricada sobre tierra instala toda la subestación prefabricada sobre la base. En una subestación prefabricada semienterrada, las salas de interruptores de alta y baja tensión entre las tres salas funcionales básicas están ubicadas sobre la base, mientras que la sala de transformadores está ubicada debajo y hunde en la base.
El volumen total del producto es relativamente pequeño. Una subestación prefabricada totalmente enterrada significa que todo el producto se hunde en la base, con solo orificios de inspección o ventilación expuestos sobre la base. Este tipo de producto es particularmente adecuado para el centro de la ciudad o áreas centrales densamente pobladas, reduciendo el impacto visual del producto en el entorno de uso y mejorando la seguridad y confiabilidad de la operación del producto.
7) Clasificación por Diferentes Métodos de Disposición de las Salas Funcionales
Según las diferentes disposiciones o combinaciones de las tres salas funcionales básicas (sala de alta tensión, sala de baja tensión y sala de transformadores) de las subestaciones prefabricadas, se pueden subdividir en subestaciones prefabricadas en forma de "ojo", subestaciones prefabricadas en forma de "caracter-pin", subestaciones prefabricadas en forma de "H", subestaciones prefabricadas en forma de "maza", subestaciones prefabricadas en forma de "campo", etc.
En la subestación prefabricada en forma de "ojo", la sala de transformadores se dispone en el centro, mientras que la sala de alta tensión y la sala de baja tensión se disponen a ambos lados. Su disposición general es similar a la de los "caracteres chinos" en caracteres chinos. En una subestación prefabricada en forma de "aguja", las tres salas funcionales se disponen juntas, similar a la forma del carácter chino "".
En la subestación prefabricada en forma de "H", la sala de alta tensión y la sala de baja tensión se hacen en cajas separadas, y las partes vivas del transformador de líquido se encierran completamente y se colocan entre las dos cajas. Además, se adopta una pantalla de malla en ambos lados del transformador para una protección e aislamiento simples, lo que mejora las condiciones de disipación de calor durante la operación del transformador. En una subestación prefabricada en forma de "maza", hay en realidad un conjunto de armarios de interruptores de alta tensión, dos conjuntos de transformadores y armarios de interruptores de baja tensión.
La sala de alta tensión está ubicada en el centro de la caja, mientras que la sala de transformadores y la sala de baja tensión están respectivamente a ambos lados de la sala de transformadores. La disposición general de cada sala funcional es en forma de "maza". En una subestación prefabricada en forma de "campo", la sala de baja tensión se divide en dos compartimentos independientes (la sala de interruptores de baja tensión y la sala de automatización). Juntas con la sala de alta tensión y la sala de transformadores, la disposición general toma la forma del carácter chino "Word".
8) Clasificación por Denominación Habitual
Según las principales características y denominaciones habituales del producto, las subestaciones prefabricadas se dividen en subestaciones de estilo europeo, subestaciones de estilo americano y subestaciones de estilo chino.
Las unidades clave (interruptores de alta tensión, interruptores de baja tensión, transformadores) de las subestaciones prefabricadas son todos productos estándar que se han finalizado después de las pruebas de tipo. Inicialmente, se introdujeron principalmente desde países europeos como Alemania, comúnmente conocidos como "subestaciones de estilo europeo". Sus principales características incluyen la interconexión y combinación de componentes clave, esquemas de diseño flexibles y variables, y expansión de capacidad del transformador relativamente conveniente. Actualmente, se utilizan ampliamente tanto en la red de distribución como en sistemas de generación de energía.
De acuerdo con la norma JB/T 10217, una subestación de estilo americano es una subestación prefabricada en la que el interruptor de alta tensión se instala en el tanque de aceite del transformador y se utiliza el aceite del transformador como medio de aislamiento y extinción de arco, mientras que el interruptor de baja tensión se instala en la caja de baja tensión. Por ejemplo, la subestación prefabricada económica de 10 kV representada por la empresa estadounidense Cooper Company se conoce comúnmente como una "subestación de estilo americano".
La principal característica de una subestación de estilo americano es que el interruptor de carga de alta tensión, el núcleo del transformador, las bobinas, etc., están sumergidos en el mismo tanque de aceite, y el aceite del transformador se utiliza conjuntamente como medio de aislamiento, extinción de arco y enfriamiento. Adopta protección dual de fusibles, y los fusibles tienen características duales sensibles a la corriente y la temperatura, lo que aumenta significativamente la sensibilidad y confiabilidad de la protección del transformador. Las principales ventajas de las subestaciones de estilo americano son su pequeño tamaño, estructura compacta, simplicidad y economía.
Sin embargo, sus desventajas también son evidentes, como la rápida disminución del rendimiento de aislamiento del aceite del transformador, un esquema simple y baja flexibilidad. El arco generado por la apertura y cierre del interruptor de alta tensión causará la deterioración de la calidad del aceite del transformador. Actualmente, las subestaciones de estilo americano de 10 kV se utilizan raramente en la red de distribución y se han clasificado como productos que están siendo eliminados o restringidos.
Después de modificaciones y actualizaciones, las subestaciones de estilo americano de 10 kV han aumentado el nivel de tensión a 35 kV y se aplican en sistemas de generación de energía renovable. Debido a su estructura compacta, pequeño espacio ocupado y bajo costo de fabricación, se están promoviendo y utilizando cada vez más.
En los últimos años, las subestaciones prefabricadas utilizadas en sistemas de energía renovable como la energía eólica y fotovoltaica funcionan principalmente para transmitir la energía eléctrica del lado de generación con un nivel de tensión más bajo a una subestación de alta tensión de 35 kV. La capacidad del transformador se está volviendo cada vez mayor. Si se diseña en la forma de "subestaciones de estilo europeo", el transformador se instala de manera cerrada en la sala de transformadores, y es difícil disipar el calor generado hacia el exterior.
Se requiere equipo adicional como ventiladores o intercambiadores de calor para abordar este problema. Por lo tanto, ha surgido una subestación prefabricada con una estructura relativamente compacta y un transformador de líquido instalado fuera de la caja. Sus principales características son: el transformador se instala al aire libre, lo que resuelve los problemas de protección y disipación de calor del transformador, y el costo de fabricación se reduce significativamente. Parece algo similar a una "subestación de estilo americano" en apariencia, pero en esencia sigue perteneciendo a una "subestación de estilo europeo". Cuando apareció por primera vez en la industria, se le llamó "subestación prefabricada compacta". Dado que fue desarrollada con éxito por primera vez en China y aplicada a proyectos de ingeniería reales, se la conoce comúnmente como "subestación de estilo chino" en la industria. Sin embargo, sus características de producto son más acordes con los requisitos de la norma GB/T 40823.
3. Tendencias de Desarrollo de las Subestaciones Prefabricadas
Las tendencias de desarrollo de las subestaciones prefabricadas se analizan desde los siguientes aspectos diferentes.
1) Diversificación de Materiales y Formas Estructurales de Fabricación de Cajas
El cambio más intuitivo y notable es que las formas estructurales de las cajas de las subestaciones prefabricadas muestran una tendencia a la diversificación, lo que se puede observar en la forma, el color y el material de las cajas. La caja debe estar en armonía con el entorno circundante. Por ejemplo, las subestaciones de estilo europeo generalmente se hunden 1 m bajo tierra, y la parte sobre el suelo no supera los 1.5 m, lo que ni afecta la vista a larga distancia ni causa lesiones accidentales si los niños trepan para jugar. Los materiales utilizados son no metálicos, lo que es ecológico y fácil de coordinar con el entorno circundante.
Los materiales comunes para la carcasa externa incluyen placas de acero ordinarias, placas de acero inoxidable, placas de aleación de aluminio y placas compuestas de acero color. Hace años, también se utilizaron placas de cemento reforzado con fibra de vidrio, placas de plástico reforzado con fibra de vidrio y materiales no metálicos. Además, puede haber varios materiales en la misma caja. Por ejemplo, el exterior de una caja ordinaria puede estar decorado con tableros de madera y tableros decorativos de azulejos vidriados, y se utilizan materiales aislantes térmicos como poliestireno expandido (EPS), fibra de vidrio, amianto y lana de silicato de aluminio en la capa intermedia de la estructura doble.
En términos de resistencia a la corrosión, al fuego y a los arcos de falla, las carcasas de materiales no metálicos son significativamente superiores a las carcasas de materiales metálicos. Algunas subestaciones prefabricadas utilizan placas Jinbang como material de carcasa, que se caracterizan por ser ecológicas, ligeras, de alta resistencia, aislantes acústicas, térmicas, resistentes al agua, al fuego y a la corrosión.
2) Promoción y Aplicación Fuertes de Interruptores de Potencia Aislados con Gas SF6
Para las subestaciones prefabricadas con un nivel de tensión de 40.5 kV y menos, el lado de alta tensión generalmente utiliza interruptores de circuito o interruptores de carga aislados por aire o gas SF6, y algunos productos utilizan interruptores de carga con aceite de transformador como medio de aislamiento.
En las subestaciones prefabricadas de 12 kV, ya que la capacidad del transformador generalmente es inferior a 1,250 kV·A, se están utilizando cada vez más aparatos eléctricos combinados (interruptor de carga + fusible) o interruptores de carga. Cuando se utiliza un interruptor de circuito para proteger el transformador, el tiempo para cortar la línea defectuosa es ligeramente más largo, lo que no es favorable para la protección de equipos clave (como el transformador). Sin embargo, el fusible en el aparato eléctrico combinado puede cortar la corriente de falla en 20 ms.
Las unidades de interruptor de carga para el nivel de tensión de 12 kV incluyen gabinetes de interruptor de carga generadores de gas, gabinetes de interruptor de circuito de vacío, gabinetes de interruptor de carga de vacío y equipos de interruptor aislados con gas SF6. Actualmente, el equipo de interruptor aislado con gas SF6 es el más comúnmente aplicado en las subestaciones prefabricadas, y tiene ventajas más distintas en términos de altitud, confiabilidad, seguridad, tamaño y entornos de aplicación especiales.
3) Mejora del Rendimiento del Transformador y la Ventilación y Disipación de Calor
En las subestaciones prefabricadas de 12 kV, los transformadores comúnmente utilizados incluyen transformadores de líquido y transformadores de seco, y su rendimiento de aislamiento y valores de pérdida a vacío y de carga se han optimizado aún más. En edificios de gran altura, desde el transformador hasta el interruptor, se requieren transformadores de seco que no contengan materiales inflamables y que no se contaminen fácilmente con aceite de transformador.
El principio de ventilación y disipación de calor para los transformadores es: principalmente ventilación natural, complementada con refrigeración forzada. Un método común de refrigeración forzada es instalar ventiladores en la parte superior de la sala de transformadores o en los paneles de la pared de la caja para sacar el aire de la caja, agitando la circulación de aire caliente en la sala. A veces, también se colocan ventiladores debajo del transformador para suministrar aire frío hacia adentro, resultando en un efecto de disipación de calor relativamente bueno.
4) Arcos de Falla Internos en Subestaciones Prefabricadas
Pueden ocurrir arcos de falla internos en las subestaciones prefabricadas, y las medidas que se pueden tomar se dividen en dos categorías: medidas proactivas y medidas reactivas. Las medidas proactivas se dirigen principalmente a limitar la duración del arco de falla, mientras que las medidas reactivas se centran en limitar los efectos causados por el arco de falla. Aunque no es posible prevenir completamente la ocurrencia de arcos internos, se pueden prevenir. Limitando los efectos perjudiciales causados por la duración del arco, se puede minimizar el impacto del arco de falla en las personas o el equipo.
Aunque la prueba de arco de falla interna no se incluye en los ítems de prueba obligatorios, se considera un "ítem de prueba de tipo obligatorio cuando es aplicable". Debido a su amenaza directa a la seguridad personal y la operación normal del equipo, ha atraído mucha atención de los fabricantes y usuarios. Por lo tanto, el ítem de prueba de quema de arco se ha promovido gradual y vigorosamente en las pruebas de tipo y las inspecciones de calidad de las subestaciones prefabricadas.
5) Considerable Desarrollo en Inteligencia
La inteligencia es una característica clave de las redes inteligentes y también una dirección de desarrollo para las subestaciones prefabricadas. Las subestaciones prefabricadas con un alto grado de automatización generalmente se denominan subestaciones prefabricadas inteligentes en la industria. Las características de trabajo y responsabilidades de las subestaciones prefabricadas inteligentes requieren que tengan una buena interactividad.
Después de realizar la recopilación y análisis de información, las subestaciones prefabricadas inteligentes no solo pueden compartir esta información internamente, sino que también tienen una buena interacción con sistemas de automatización más complejos y avanzados dentro de la red eléctrica. La interactividad de las subestaciones prefabricadas inteligentes garantiza, en cierta medida, la operación segura y estable de la red eléctrica.
