Анализ классификации и тенденций развития высоковольтных/низковольтных сборных подстанций

1. مقدمه

زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین، به طور معمول با نام "زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته" خوانده می‌شوند و به اختصار "زیراستانسیون‌های جعبه‌ای" یا "زیراستانسیون‌های صندوقی" نامیده می‌شوند. در چین، آنها قبلاً با نام‌های مختلفی مانند "زیراستانسیون‌های ترکیبی"، "تبدیل‌کننده‌های ترکیبی"، "زیراستانسیون‌های فشرده ساخته شده در کارخانه"، "واحدهای دریافت برق فشار بالا جعبه‌ای" و "زیراستانسیون‌های فشرده پیش‌ساخته" شناخته می‌شدند. در نوامبر 1995، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) آنها را به عنوان "زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین" در استاندارد IEC 1330 نامگذاری کرد. استاندارد فعلی GB/T 17467-2020 زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین نیز از اصطلاح "زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته فشار بالا/فشار پایین" استفاده می‌کند که در متن زیر به اختصار "زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته" خوانده می‌شود.

ویژگی‌های اصلی زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته عبارتند از:

• طراحی و ساخت محصول در کارخانه انجام می‌شود.

• با آزمایش‌های نوعی مشخص شده در استاندارد GB/T 17467 تأیید می‌شود.

• از طریق آزمایش‌های کارخانه تأیید می‌شود.

تشکیل اساسی آن شامل سه واحد عملکردی است: اتاق ترانسفورماتور، اتاق کلید فشار بالا و اتاق کلید فشار پایین. المان‌های کلیدی که در داخل آنها (در استاندارد، ترانسفورماتورها، دستگاه‌های کلید فشار بالا، دستگاه‌های کلید فشار پایین و غیره به عنوان المان‌های کلیدی تعریف شده‌اند) توسط آزمایش‌های نوعی و آزمایش‌های کارخانه به عنوان مناسب تأیید شده‌اند. این المان‌ها به هم متصل می‌شوند و در یک پوشش یا جعبه مشترک جمع‌آوری می‌شوند تا محصول زیراستانسیون پیش‌ساخته را تشکیل دهند. طرح معمولی با استفاده از آزمایش‌های نوعی بر اساس الزامات GB/T 17467 تأیید می‌شود و پس از عبور از آزمایش‌های کارخانه به کاربران تحویل داده می‌شود تا نصب و استفاده شود. این نشان‌دهنده شکل ساختاری اساسی یک زیراستانسیون پیش‌ساخته معمولی است.

در کاربردهای عملی، دستگاه‌های خودکار، واحدهای ارتباطی، سیستم‌های نظارت تصویری، سیستم‌های تغذیه کنترل، سیستم‌های آتش‌نشانی و غیره به زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته اضافه می‌شوند و به عنوان المان‌های مهم یا تکمیلی برای برآورده کردن الزامات عملکردی زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته در شرایط کاری مختلف تبدیل می‌شوند.

مزایای اصلی زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته شامل یکپارچه‌سازی بالا، مساحت کوچک، دوره ساخت کوتاه، انتخاب محل انعطاف‌پذیر، قابلیت تناسب با محیط قوی، نصب و استفاده آسان، عملکرد ایمن و مطمئن، سرمایه‌گذاری کم و نتیجه سریع است.

در سال‌های اخیر، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته در حوزه‌های تولید انرژی تجدیدپذیر و ذخیره انرژی مانند بادی و فتوولتائیک توسعه سریع و کاربرد گسترده‌ای یافته‌اند که انتقال یا تبادل انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازند.

نمونه کاربرد زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته: در شبکه توزیع، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته از طریق کاهش ولتاژ انرژی الکتریکی را توزیع می‌کنند تا الزامات کاربران نهایی را برآورده کنند؛ در سیستم تولید برق، آنها از طریق افزایش ولتاژ و اتصال به شبکه انتقال انرژی الکتریکی را از طرف تولید به شبکه امکان‌پذیر می‌کنند.

ظرفیت اسمی و سطح ولتاژ ترانسفورماتور نصب شده در زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته نشان‌دهنده مقیاس و تجهیزات زیراستانسیون است. معمولاً برای زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته با ظرفیت اسمی ترانسفورماتور حدود 10,000 kV·A و سطح ولتاژ 40.5 kV و پایین‌تر، ترانسفورماتور و دستگاه‌های کلید یا تجهیزات دیگر به یک کل ترکیب می‌شوند یا به صورت ماژول‌های جداگانه به محل منتقل شده و سپس به یک کل ترکیب می‌شوند.

هنگامی که ظرفیت ترانسفورماتور بیش از 31,500 kV·A است، دستگاه‌های کلید و تجهیزات کمکی مربوطه در داخل جعبه زیراستانسیون پیش‌ساخته نصب می‌شوند، در حالی که ترانسفورماتورهای اصلی در خارج نصب می‌شوند. دو یا چند ترانسفورماتور اصلی وجود دارد که در نهایت به یک زیراستانسیون کامل متصل می‌شوند و این امر انتقال یا تبادل انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازد. این مقاله زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته را از نظر جهت‌گیری توسعه صنعت یا ویژگی‌های اصلی محصول طبقه‌بندی می‌کند و روند توسعه آنها را در حوزه زیراستانسیون‌ها تحلیل می‌کند.

2. روش‌های طبقه‌بندی معمول زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته

در کاربردهای عملی، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته در مورد ظرفیت اسمی و ویژگی‌های ساختاری ترانسفورماتور، سطح ولتاژ اسمی، المان‌های کلیدی، مواد و شکل ساختاری جعبه، سناریوهای کاربردی و هدف‌های اصلی تفاوت‌های قابل توجهی دارند. علاوه بر این، به دلیل تفاوت‌های حوزه کاربرد، استانداردهای صنعتی و روش‌های تأیید محصول نیز متفاوت است. در ادامه زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته را از نظر ابعاد مختلف یا بر اساس ویژگی‌های اصلی آنها طبقه‌بندی می‌کنیم.

1) طبقه‌بندی بر اساس سطح ولتاژ اسمی سمت فشار بالا

زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته بر اساس سطح ولتاژ اسمی سمت فشار بالا به زیراستانسیون‌های فشار بالا، زیراستانسیون‌های فشار متوسط و زیراستانسیون‌های فشار پایین تقسیم می‌شوند. سطح ولتاژ سمت فشار بالا زیراستانسیون‌های فشار بالا 110 kV و بالاتر است، سطح ولتاژ سمت فشار بالا زیراستانسیون‌های فشار متوسط بین 3.6 تا 40.5 kV است و سطح ولتاژ سمت فشار بالا زیراستانسیون‌های فشار پایین 1.14 kV و پایین‌تر است.

زیراستانسیون‌های فشار بالا معمولاً نزدیک به مرکز بار الکتریکی نصب می‌شوند. آنها اغلب از روش ساخت زیراستانسیون ترکیبی با ساخت ماژولی و ساخت محلی استفاده می‌کنند. آنها دارای سطح ولتاژ بالا در سمت فشار بالا ترانسفورماتور، ظرفیت واحدی بزرگ و تعداد زیادی از تجهیزات کمکی اولیه و ثانویه هستند.

زیراستانسیون‌های فشار متوسط معمولاً در سیستم‌های تولید برق، در انتهای شبکه توزیع یا در سناریوهای تأمین برق موقت استفاده می‌شوند. طرح آنها نسبتاً ساده است، ظرفیت ترانسفورماتور نسبتاً کوچک است و فرآیند ساخت نسبتاً ساده است. زیراستانسیون‌های فشار پایین معمولاً دستگاه‌های کنترل ثانویه، تجهیزات کمکی یا دستگاه‌های کلید فشار پایین را در داخل خود نصب می‌کنند تا الزامات عملکردی خاصی را برآورده کنند.

2) طبقه‌بندی بر اساس محیط استفاده یا نصب

آنها به زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته داخلی و زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته خارجی بر اساس محیط استفاده یا نصب تقسیم می‌شوند. زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته معمولاً به معنای نوع خارجی است. علاوه بر این، در برخی از کارخانجات، ساختمان‌ها یا کنار تجهیزات الکتریکی داخلی با بار توان کوچک، زیراستانسیون‌های پشتیبان پیش‌ساخته نوع داخلی هستند. محیط استفاده یا سطح محافظت آنها نسبت به زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته خارجی بهتر است و محصول خود نیازهای کمتری برای حفاظت از محیط و ایمنی دارد.

3) طبقه‌بندی بر اساس روش نصب محصول

آنها به زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته ثابت و زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته متحرک بر اساس روش نصب محصول تقسیم می‌شوند. معمولاً زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته به صورت ثابت روی پایه نصب می‌شوند و موقعیت نصب آنها در طول استفاده تغییر نمی‌کند.

در برخی از سناریوهای کاربردی، مانند معادن، میدان‌های نفتی، محل‌های ساخت و نگهداری تعمیرات موقت، با پیشرفت پروژه ساخت، محل زیراستانسیون پیش‌ساخته غالباً نیاز به تغییر دارد. دو نوع از زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته متحرک وجود دارد: زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته دارای چرخ و زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته دارای سکو. هنگامی که موقعیت تأمین برق زیراستانسیون پیش‌ساخته نیاز به حرکت دارد، می‌توان آن را با استفاده از یک واگن یا نیمه‌واگن جابجا کرد.

4) طبقه‌بندی بر اساس مواد استفاده شده برای ساخت جعبه

بر اساس مواد مختلف استفاده شده در ساخت جعبه زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته، آنها می‌توانند به نوع صفحه فولادی، غیرفلزی، صفحه فولاد ضدزنگ، آلومینیوم آلیاژی، صفحه مرکب رنگی فولادی، صفحه جینبنگ، صفحه روغنی‌شده با مگنزیم-آلومینیوم-زینک، نوع کانتینر و غیره تقسیم‌بندی شوند. ویژگی اصلی آن است که مواد یا شکل‌های ساختاری جعبه‌های زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته متفاوت است که می‌تواند الزامات مختلف کاربران یا الزامات استفاده را برآورده کند.

5) طبقه‌بندی بر اساس ظاهر جعبه یا میزان هماهنگی با محیط

بر اساس الزامات خاص زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته برای محیط استفاده اطراف، آنها می‌توانند به نوع معمولی، نوع زیبایی‌شناسی (به عنوان مثال، سطح جعبه دارای سبک‌های مقلد معماری قدیمی چینی، معماری اروپایی، قالب‌های هنری یا نقاشی‌های زیبایی‌شناختی چسبانده شده)، و غیره تقسیم‌بندی شوند. به عنوان مثال، زیراستانسیون پیش‌ساخته استفاده شده در یک پارک دارای شکل یک پاویلیون یا ساختمانی است که با محیط پارک همخوانی دارد و سطح آن با نقاشی‌های زیبایی‌شناختی یا رنگ‌های مختلف تزیین شده است.

6) طبقه‌بندی بر اساس روش‌های نصب مختلف

بر اساس میزان ترکیب زیراستانسیون پیش‌ساخته با پایه، آنها می‌توانند به زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته بالای زمین، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته نیمه‌غرق و زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته کاملاً غرق تقسیم‌بندی شوند. زیراستانسیون پیش‌ساخته بالای زمین کل محصول را روی پایه نصب می‌کند. در زیراستانسیون پیش‌ساخته نیمه‌غرق، از سه اتاق عملکردی اصلی (اتاق فشار بالا و اتاق فشار پایین) دو اتاق روی پایه واقع شده و اتاق ترانسفورماتور در زیر و در پایه غرق شده است. حجم کل محصول نسبتاً کوچک است. زیراستانسیون پیش‌ساخته کاملاً غرق به معنای غرق شدن کل محصول در پایه است، با تنها داشتن دهانه‌های بازرسی یا دهانه‌های تهویه بالای پایه. این نوع محصول به ویژه برای مرکز شهر یا مناطق مرکزی پرجمعیت مناسب است، که تأثیر بصری محصول بر محیط استفاده را کاهش می‌دهد و ایمنی و قابلیت اطمینان عملکرد محصول را افزایش می‌دهد.

7) طبقه‌بندی بر اساس روش‌های مختلف ترتیب اتاق‌های عملکردی

بر اساس ترتیب یا ترکیب‌های مختلف سه اتاق عملکردی اصلی (اتاق فشار بالا، اتاق فشار پایین و اتاق ترانسفورماتور) زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته، آنها می‌توانند به زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته "چشم‌مانند"، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته "نوع پین"، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته "H-مانند"، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته "دمبل‌مانند"، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته "نوع میدان" و غیره تقسیم‌بندی شوند.

در زیراستانسیون پیش‌ساخته "چشم‌مانند"، اتاق ترانسفورماتور در وسط قرار دارد، در حالی که اتاق فشار بالا و اتاق فشار پایین در دو طرف آن قرار دارند. ترتیب کلی آن مشابه حروف "چینی" در الفبای چینی است. در زیراستانسیون پیش‌ساخته "نوع پین"، سه اتاق عملکردی در کنار هم قرار دارند، مشابه شکل حرف "پین" در الفبای چینی.

در زیراستانسیون پیش‌ساخته "H-مانند"، اتاق فشار بالا و اتاق فشار پایین به صورت جعبه‌های جداگانه ساخته می‌شوند و قسمت‌های زنده ترانسفورماتور مایع‌پرداز کاملاً بسته و بین دو جعبه قرار می‌گیرند. علاوه بر این، از محافظ‌های شبکه‌ای در دو طرف ترانسفورماتور برای محافظت و جداسازی ساده استفاده می‌شود که شرایط تخلیه حرارتی در حین عملکرد ترانسفورماتور را بهبود می‌بخشد. در زیراستانسیون پیش‌ساخته "دمبل‌مانند"، در واقع یک مجموعه از دستگاه‌های کلید فشار بالا، دو مجموعه ترانسفورماتور و دستگاه‌های کلید فشار پایین وجود دارد. اتاق فشار بالا در وسط جعبه قرار دارد، در حالی که اتاق ترانسفورماتور و اتاق فشار پایین به ترتیب در دو طرف اتاق ترانسفورماتور قرار دارند. ترتیب کلی هر اتاق عملکردی شکل "دمبل" را دارد. در زیراستانسیون پیش‌ساخته "نوع میدان"، اتاق فشار پایین به دو اتاق مستقل (اتاق کلید فشار پایین و اتاق خودکار) تقسیم می‌شود. با ترکیب اتاق فشار بالا و اتاق ترانسفورماتور، ترتیب کلی شکل حرف "میدان" را می‌گیرد.

8) طبقه‌بندی بر اساس نام‌های سنتی

بر اساس ویژگی‌های اصلی و نام‌های سنتی محصول، زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته به زیراستانسیون‌های اروپایی، زیراستانسیون‌های آمریکایی و زیراستانسیون‌های چینی تقسیم‌بندی می‌شوند.

واحد‌های کلیدی (دستگاه‌های کلید فشار بالا، دستگاه‌های کلید فشار پایین، ترانسفورماتورها) زیراستانسیون‌های پیش‌ساخته همگی محصولات استاندارد هستند که پس از آزمایش‌های نوعی تأیید شده‌اند. ابتدا آنها عمدتاً از کشورهای اروپایی مانند آلمان معرفی شدند و به نام "زیراستانسیون‌های اروپایی" شناخته می‌شدند. ویژگی‌های اصلی آنها شامل اتصال و ترکیب المان‌های کلیدی، طرح‌های طراحی انعطاف‌پذیر و قابل تغییر و توسیع ظرفیت ترانسفورماتور نسبتاً آسان است. در حال حاضر، آنها به طور گسترده در هر دو شبکه توزیع و سیستم‌های تولید برق استفاده می‌شوند.

بر اساس استاندارد JB/T 10217، زیراستانسیون آمریکایی یک زیراستانسیون پیش‌ساخته است که کلید فشار بالا در ظرف نفت ترانسفورماتور نصب شده و نفت ترانسفورماتور به عنوان ماده عایقی و خاموش‌کننده استفاده می‌شود، در حالی که کلید فشار پایین در جعبه فشار پایین نصب می‌شود. به عنوان مثال، زیراستانسیون اقتصادی 10 kV نمایانگر شرکت آمریکایی Cooper به نام "زیراستانسیون آمریکایی" شناخته می‌شود.

ویژگی اصلی زیراستانسیون آمریکایی این است که کلید بار فشار بالا، هسته ترانسفورماتور، لایه‌های سیمی و غیره در یک ظرف نفتی غوطه‌ور شده‌اند و نفت ترانسفورماتور به طور مشترک به عنوان ماده عایقی، خاموش‌کننده و خنک‌کننده استفاده می‌شود. از محافظ‌های دوگانه فیوز استفاده می‌شود و فیوز‌ها دارای خصوصیات دوگانه حساس به جریان و دما هستند که به طور قابل توجهی حساسیت و قابلیت اطمینان محافظت ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد. مزایای اصلی زیراستانسیون‌های آمریکایی شامل حجم کوچک، ساختار فشرده، سادگی و اقتصادی بودن است.

با این حال، ضعف‌های آنها نیز آشکار است، مانند سریع‌ترین کاهش عملکرد عایقی نفت ترانسفورماتور، طرح ساده و انعطاف‌پذیری کم. قوس تولید شده توسط باز و بسته شدن کلید فشار بالا باعث تخریب کیفیت نفت ترانسفورماتور می‌شود. در حال حاضر، زیراستانسیون‌های 10 kV آمریکایی به ندرت در شبکه توزیع استفاده می‌شوند و به عنوان محصولاتی که در حال حذف یا محدود شدن هستند طبقه‌بندی شده‌اند.

بعد از اصلاح و به‌روزرسانی، زیراستانسیون‌های 10 kV آمریکایی سطح ولتاژ را به 35 kV افزایش داده و در سیستم‌های تولید برق نوین استفاده می‌شوند. به دلیل ساختار فشرده، مساحت کوچک و هزینه ساخت کم، آنها به طور گسترده‌تری ترویج و استفاده می‌شوند.