تجزیه و تحلیل رده بندی و روندهای توسعه زیرстанسیون های پیش ساخته فشار قوی/فشار ضعیف
۱. مقدمه
زیرایستگاه‌های پیش ساخته فشار بالا/فشار پایین، به طور معمول با نام "زیرایستگاه‌های پیش ساخته" خوانده می‌شوند و به اختصار "زیرایستگاه‌های جعبه‌ای" یا "زیرایستگاه‌های کادری" نامیده می‌شوند. در چین، آنها قبلاً با نام‌های مختلفی مانند "زیرایستگاه‌های ترکیبی"، "ترانسفورماتورهای ترکیبی"، "زیرایستگاه‌های پیش ساخته فشرده کارخانه‌ای"، "واحدهای گیرنده برق فشار بالا جعبه‌ای" و "زیرایستگاه‌های پیش ساخته فشرده" شناخته شده‌اند. در نوامبر ۱۹۹۵، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) آنها را در استاندارد IEC ۱۳۳۰ به نام "زیرایستگاه‌های پیش ساخته فشار بالا/فشار پایین" نامگذاری کرد. استاندارد فعلی GB/T ۱۷۴۶۷-۲۰۲۰ زیرایستگاه‌های پیش ساخته فشار بالا/فشار پایین نیز از این اصطلاح استفاده می‌کند که در ادامه با نام "زیرایستگاه‌های پیش ساخته" خوانده خواهد شد.
مشخصات اصلی زیرایستگاه‌های پیش ساخته عبارتند از:
طراحی و ساخت محصول در کارخانه کامل می‌شود.
با تست‌های نوعی مشخص شده در استاندارد GB/T ۱۷۴۶۷ تأیید می‌شود.
از طریق تست‌های کارخانه تأیید می‌شود.
تشکیل اساسی آن شامل سه واحد عملکردی، یعنی اتاق ترانسفورماتور، اتاق دیواره فشار بالا و اتاق دیواره فشار پایین است. اجزای کلیدی داخل آن (در استاندارد، ترانسفورماتورها، دیواره‌های فشار بالا، دیواره‌های فشار پایین و غیره به عنوان اجزای کلیدی تعریف شده‌اند) از طریق تست‌های نوعی و تست‌های کارخانه به عنوان مؤهل تأیید شده‌اند. این اجزا بر اساس نیاز به هم متصل شده و در یک پوسته یا جعبه مشترک جمع‌آوری شده تا محصول زیرایستگاه پیش ساخته را تشکیل دهند. طرح معمولی از طریق تست‌های نوعی بر اساس نیازهای GB/T ۱۷۴۶۷ تأیید می‌شود و سپس پس از عبور از تست‌های کارخانه به کاربران برای نصب و استفاده تحویل داده می‌شود. این نمایانگر شکل ساختاری اساسی یک زیرایستگاه پیش ساخته معمولی است.
در کاربردهای عملی، دستگاه‌های خودکار، واحدهای ارتباطی، سیستم‌های نظارت تصویری، سیستم‌های تأمین برق کنترل، سیستم‌های آتش‌نشانی و غیره به زیرایستگاه‌های پیش ساخته یکپارچه شده و به اجزای مهم یا تکمیلی برای برآوردن نیازهای عملکردی زیرایستگاه‌های پیش ساخته تحت شرایط کاری مختلف تبدیل شده‌اند.
مزایای اصلی زیرایستگاه‌های پیش ساخته شامل یکپارچه‌سازی بالا، مساحت کوچک، دوره ساخت کوتاه، انتخاب محل انعطاف‌پذیر، تطبیق قوی با محیط، نصب و استفاده راحت، عملکرد ایمن و قابل اطمینان، سرمایه‌گذاری کم و نتیجه سریع می‌شود.
در سال‌های اخیر، زیرایستگاه‌های پیش ساخته در زمینه‌های تولید انرژی تجدیدپذیر و ذخیره انرژی مانند بادی و فتوولتائیک توسعه سریع و کاربرد گسترده‌ای داشته‌اند که انتقال یا تبادل انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازد.
سناریوهای کاربرد زیرایستگاه‌های پیش ساخته: در شبکه توزیع، زیرایستگاه‌های پیش ساخته از طریق کاهش ولتاژ انرژی الکتریکی را توزیع می‌کنند تا نیازهای کاربران نهایی را برآورده کنند؛ در سیستم تولید برق، آنها از طریق افزایش ولتاژ و اتصال به شبکه انتقال انرژی الکتریکی را از سمت تولید برق به شبکه محقق می‌کنند.
ظرفیت اسمی و سطح ولتاژ ترانسفورماتور نصب شده در زیرایستگاه‌های پیش ساخته شاخص‌های مهمی برای سنجش مقیاس و تجهیزات زیرایستگاه هستند. معمولاً برای زیرایستگاه‌های پیش ساخته با ظرفیت اسمی ترانسفورماتور حدود ۱۰۰۰۰ kV·A و سطح ولتاژ ۴۰.۵ kV و پایین‌تر، ترانسفورماتور و دیواره یا تجهیزات دیگر به صورت یکپارچه یا به صورت ماژول‌های جداگانه به محل حمل و سپس به صورت یکپارچه ترکیب می‌شوند.
وقتی ظرفیت ترانسفورماتور بیش از ۳۱۵۰۰ kV·A باشد، دیواره‌های همراه و تجهیزات کمکی دیگر در داخل جعبه زیرایستگاه پیش ساخته نصب می‌شوند، در حالی که ترانسفورماتورهای اصلی در خارج نصب می‌شوند. دو یا چند ترانسفورماتور اصلی وجود دارد که در نهایت به یک زیرایستگاه کامل متصل می‌شوند، بدین ترتیب انتقال یا تبادل انرژی الکتریکی ممکن می‌شود. این مقاله زیرایستگاه‌های پیش ساخته را از نظر جهت‌گیری توسعه صنعت یا مشخصات اصلی محصول طبقه‌بندی می‌کند و روندهای توسعه آنها در زمینه زیرایستگاه‌ها را تحلیل می‌کند.
۲. روش‌های طبقه‌بندی معمول زیرایستگاه‌های پیش ساخته
در کاربردهای عملی، زیرایستگاه‌های پیش ساخته از نظر ظرفیت اسمی و ویژگی‌های ساختاری ترانسفورماتور، سطح ولتاژ اسمی، اجزای کلیدی، مواد و شکل ساختاری جعبه، سناریوهای کاربردی و اهداف اصلی متفاوت هستند. علاوه بر این، به دلیل تفاوت‌های موجود در زمینه‌های کاربردی، استانداردهای صنعتی و روش‌های تأیید محصول نیز متفاوت است. در ادامه زیرایستگاه‌های پیش ساخته از نظر ابعاد مختلف یا بر اساس مشخصات اصلی آنها طبقه‌بندی می‌شوند.
۱) طبقه‌بندی بر اساس سطح ولتاژ اسمی سمت فشار بالا
زیرایستگاه‌های پیش ساخته بر اساس سطح ولتاژ اسمی سمت فشار بالا به زیرایستگاه‌های فشار بالا پیش ساخته، زیرایستگاه‌های فشار متوسط پیش ساخته و زیرایستگاه‌های فشار پایین پیش ساخته تقسیم می‌شوند. سطح ولتاژ سمت فشار بالا زیرایستگاه‌های فشار بالا پیش ساخته ۱۱۰ kV و بالاتر است، زیرایستگاه‌های فشار متوسط پیش ساخته بین ۳.۶ تا ۴۰.۵ kV و زیرایستگاه‌های فشار پایین پیش ساخته ۱.۱۴ kV و پایین‌تر است.
زیرایستگاه‌های فشار بالا پیش ساخته معمولاً نزدیک به مرکز بار الکتریکی نصب می‌شوند. آنها اغلب از مدل ساخت زیرایستگاهی که ترکیبی از ساخت مدولار و ساخت محلی است، استفاده می‌کنند. آنها دارای سطح ولتاژ بالا در سمت فشار بالا ترانسفورماتور، ظرفیت واحد منفرد بزرگ و تعداد نسبتاً زیادی از تجهیزات اصلی و فرعی هستند.
زیرایستگاه‌های فشار متوسط پیش ساخته معمولاً در سیستم‌های تولید برق، در انتهای شبکه توزیع یا در سناریوهای تأمین برق موقت استفاده می‌شوند. طرح آنها نسبتاً ساده است، ظرفیت ترانسفورماتور کوچکتر است و فرآیند ساخت نسبتاً ساده است. زیرایستگاه‌های فشار پایین پیش ساخته معمولاً تجهیزات کنترل فرعی، تجهیزات کمکی یا دیواره‌های فشار پایین را در داخل نصب می‌کنند تا نیازهای عملکردی خاصی را برآورده کنند.
۲) طبقه‌بندی بر اساس کاربرد یا محیط نصب
آنها به زیرایستگاه‌های پیش ساخته داخلی و زیرایستگاه‌های پیش ساخته خارجی بر اساس کاربرد یا محیط نصب تقسیم می‌شوند. زیرایستگاه‌های پیش ساخته معمولاً به معنای نوع خارجی هستند. علاوه بر این، در برخی کارخانجات، ساختمان‌ها یا کنار تجهیزات الکتریکی داخلی با بار الکتریکی کوچکتر، زیرایستگاه‌های پشتیبان پیش ساخته داخلی هستند. محیط کار یا سطح حفاظت آنها نسبت به زیرایستگاه‌های پیش ساخته خارجی بهتر است و محصول خود نیازهای کمتری برای حفاظت از محیط و ایمنی دارد.
۳) طبقه‌بندی بر اساس روش نصب محصول
آنها به زیرایستگاه‌های پیش ساخته ثابت و زیرایستگاه‌های پیش ساخته متحرک بر اساس روش نصب محصول تقسیم می‌شوند. معمولاً زیرایستگاه‌های پیش ساخته به صورت ثابت روی پایه نصب می‌شوند و موقعیت نصب آنها در حین استفاده تغییر نمی‌کند.
در برخی سناریوهای کاربردی، مانند معادن، میدان‌های نفتی، محل‌های ساخت و سناریوهای تأمین برق موقتی برای نگهداری، با پیشرفت کار، محل زیرایستگاه پیش ساخته معمولاً نیاز به تغییر دارد. دو نوع زیرایستگاه پیش ساخته متحرک وجود دارد: زیرایستگاه‌های پیش ساخته چرخ‌دار و زیرایستگاه‌های پیش ساخته سکویی. وقتی موقعیت تأمین برق زیرایستگاه پیش ساخته نیاز به تغییر دارد، می‌توان آن را با استفاده از چرخه یا نیمه‌چرخه جابجا کرد.
۴) طبقه‌بندی بر اساس مواد استفاده شده برای ساخت جعبه
بر اساس مواد مختلف استفاده شده در ساخت جعبه زیرایستگاه‌های پیش ساخته، آنها به نوع صفحه فولادی، غیرفلزی، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم آلیاژی، صفحه کامپوزیتی فولاد رنگی، صفحه جینبانگ، صفحه روکش‌دار مگنزیم-آلومینیوم-زنگ، نوع کانتینر و غیره تقسیم می‌شوند. ویژگی اصلی این است که مواد یا شکل‌های ساختاری جعبه‌های زیرایستگاه‌های پیش ساخته متفاوت است که می‌تواند نیازهای مختلف کاربران یا نیازهای استفاده را برآورده کند.
۵) طبقه‌بندی بر اساس ظاهر جعبه یا درجه تطابق با محیط
بر اساس نیازهای خاص زیرایستگاه‌های پیش ساخته برای محیط کار اطراف، آنها می‌توانند به نوع معمولی، نوع پیکره (به عنوان مثال، سطح جعبه سبک‌هایی مانند معماری باستانی چینی، معماری اروپایی، قالب‌های هنری یا نقاشی‌های پیکره‌ای دارد)، و غیره تقسیم شوند. به عنوان مثال، زیرایستگاه پیش ساخته استفاده شده در یک پارک شکل یک پاویلیون یا ساختمانی است که با محیط پارک هماهنگ است و سطح آن با نقاشی‌های پیکره یا رنگ‌های مختلف تزئین شده است.
۶) طبقه‌بندی بر اساس روش‌های نصب مختلف
بر اساس درجه ترکیب زیرایستگاه پیش ساخته با پایه، آنها به زیرایستگاه‌های پیش ساخته روی زمین، زیرایستگاه‌های پیش ساخته نیمه‌دفن شده و زیرایستگاه‌های پیش ساخته کاملاً دفن شده تقسیم می‌شوند. زیرایستگاه پیش ساخته روی زمین کل محصول را روی پایه نصب می‌کند. در زیرایستگاه پیش ساخته نیمه‌دفن شده، اتاق‌های دیواره فشار بالا و فشار پایین از سه اتاق عملکردی اصلی روی پایه قرار دارند، در حالی که اتاق ترانسفورماتور زیر پایه و درون پایه قرار دارد.حجم کل محصول نسبتاً کوچک است. زیرایستگاه پیش ساخته کاملاً دفن شده به این معنی است که کل محصول درون پایه فرو رفته و فقط دهانه‌های بازرسی یا منافذ تهویه از روی پایه بیرون زده‌اند. این نوع محصول به ویژه برای مرکز شهر یا مناطق مرکزی پرجمعیت مناسب است، که تأثیر بصری محصول بر محیط کار را کاهش می‌دهد و ایمنی و قابلیت اعتماد عملکرد محصول را افزایش می‌دهد.
۷) طبقه‌بندی بر اساس روش‌های ترتیب مختلف اتاق‌های عملکردی
بر اساس ترتیب یا ترکیب مختلف سه اتاق عملکردی اصلی (اتاق فشار بالا، اتاق فشار پایین و اتاق ترانسفورماتور) زیرایستگاه‌های پیش ساخته، آنها می‌توانند به زیرایستگاه‌های پیش ساخته شکل "چشم"، زیرایستگاه‌های پیش ساخته شکل "نی"، زیرایستگاه‌های پیش ساخته شکل "H"، زیرایستگاه‌های پیش ساخته شکل "دمبل"، زیرایستگاه‌های پیش ساخته شکل "زمین" و غیره تقسیم شوند.
در زیرایستگاه پیش ساخته شکل "چشم"، اتاق ترانسفورماتور در وسط قرار دارد و اتاق‌های فشار بالا و فشار پایین در دو طرف آن قرار دارند. ترتیب کلی آن مشابه حروف چینی "چشم" است. در زیرایستگاه پیش ساخته شکل "نی"، سه اتاق عملکردی به صورت همراه ترتیب می‌شوند که مشابه شکل حرف چینی "نی" است.
در زیرایستگاه پیش ساخته شکل "H"، اتاق‌های فشار بالا و فشار پایین به صورت جعبه‌های جداگانه ساخته می‌شوند و قسمت‌های زنده ترانسفورماتور مایع‌پر کاملاً درون جعبه‌ها قرار داده می‌شوند. علاوه بر این، از محافظ شبکه‌ای در دو طرف ترانسفورماتور برای حفاظت و جداسازی ساده استفاده می‌شود که شرایط تảnی را در حین عملکرد ترانسفورماتور بهبود می‌بخشد. در زیرایستگاه پیش ساخته شکل "دمبل"، در واقع یک مجموعه دیواره سوییچ فشار بالا، دو مجموعه ترانسفورماتور و دیواره سوییچ فشار پایین وجود دارد.
اتاق فشار بالا در وسط جعبه قرار دارد و 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 زیرایستگاه پیش ساخته شکل "زمین"، اتاق فشار پایین به دو اتاق مستقل (اتاق سوییچ فشار پایین و اتاق خودکار) تقسیم می‌شود. با اتاق فشار بالا و اتاق ترانسفورماتور، ترتیب کلی شکل حرف چینی "کلمه" را می‌گیرد.
۸) طبقه‌بندی بر اساس نام‌های معمول
بر اساس مشخصات اصلی و نام‌های معمول محصول، زیرایستگاه‌های پیش ساخته به زیرایستگاه‌های سبک اروپایی، زیرایستگاه‌های سبک آمریکایی و زیرایستگاه‌های سبک چینی تقسیم می‌شوند.
واحدهای کلیدی (دیواره‌های سوییچ فشار بالا، دیواره‌های سوییچ فشار پایین، ترانسفورماتورها) زیرایستگاه‌های پیش ساخته همه محصولات استاندارد هستند که پس از تست‌های نوعی نهایی شده‌اند. ابتدا آنها عمدتاً از کشورهای اروپایی مانند آلمان معرفی شده‌اند و به طور معمول به عنوان "زیرایستگاه‌های سبک اروپایی" شناخته می‌شوند. ویژگی‌های اصلی آنها شامل اتصال و ترکیب اجزای کلیدی، طرح‌های طراحی انعطاف‌پذیر و قابل تغییر و گسترش ظرفیت نسبتاً راحت ترانسفورماتور است. در حال حاضر، آنها در هر دو سیستم شبکه توزیع و سیستم‌های تولید برق به طور گسترده استفاده می‌شوند.
بر اساس استاندارد JB/T ۱۰۲۱۷، زیرایستگاه سبک آمریکایی یک زیرایستگاه پیش ساخته است که سوییچ فشار بالا درون مخزن روغن ترانسفورماتور نصب شده و روغن ترانسفورماتور به عنوان ماده عایق و خاموش‌کننده استفاده می‌شود، در حالی که سوییچ فشار پایین در جعبه فشار پایین نصب می‌شود. به عنوان مثال، زیرایستگاه پیش ساخته اقتصادی ۱۰ kV نمایانگر شرکت آمریکایی Cooper به طور معمول به عنوان "زیرایستگاه سبک آمریکایی" شناخته می‌شود.
ویژگی اصلی زیرایستگاه سبک آمریکایی این است که سوییچ بار فشار بالا، هسته ترانسفورماتور، سیم‌پیچ و غیره در یک مخزن روغن مشترک غوطه‌ور شده‌اند و روغن ترانسفورماتور به طور مشترک به عنوان ماده عایق، خاموش‌کننده و خنک‌کننده استفاده می‌شود. از حفاظت دوگانه فیوز استفاده می‌شود و فیوز‌ها دارای خصوصیات دوگانه حساس به جریان و دما هستند که به طور قابل توجهی حساسیت و قابلیت اعتماد حفاظت ترانسفورماتور را افزایش می‌دهند. مزایای اصلی زیرایستگاه‌های سبک آمریکایی شامل حجم کوچک، ساختار فشرده، سادگی و اقتصادی بودن است.
اما معایب آنها نیز آشکار است، مانند کاهش سریع عملکرد عایقی روغن ترانسفورماتور، طرح ساده و انعطاف‌پذیری کم. قوس تولید شده از قطع و بستن سوییچ فشار بالا باعث تخریب کیفیت روغن ترانسفورماتور می‌شود. در حال حاضر، زیرایستگاه‌های سبک آمریکایی ۱۰ kV به طور کمی در شبکه توزیع استفاده می‌شوند و به محصولاتی که در حال حذف یا محدود شدن هستند طبقه‌بندی شده‌اند.
بعد از اصلاح و به‌روزرسانی، زیرایستگاه‌های سبک آمریکایی ۱۰ kV سطح ولتاژ خود را به ۳۵ kV افزایش داده‌اند و در سیستم‌های تولید انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌شوند. به دلیل ساختار فشرده، مساحت کوچک و هزینه ساخت کم، آنها به طور مداوم ترویج و استفاده می‌شوند.
در سال‌های اخیر، زیرایستگاه‌های پیش ساخته استفاده شده در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مانند بادی و فتوولتائیک عمد
