Análise da clasificación e tendencias de desenvolvemento das subestacións prefabricadas de alta/baixa tensión
1. Introdución
As subestacións prefabricadas de alta/ baixa tensión, coñecidas comúnmente como "subestacións prefabricadas", abreviadas como "subestacións prefab" ou "subestacións en caxa". En China, previamente recibiron varios nomes como "subestacións combinadas", "transformadores combinados", "subestacións compactas ensambladas en fábrica", "unidades receptoras de alta tensión en caxa" e "subestacións compactas prefabricadas". En novembro de 1995, a Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) as denominou oficialmente "subestacións prefabricadas de alta/baixa tensión" no estándar IEC 1330. O estándar actual GB/T 17467—2020 Subestacións Prefabricadas de Alta/Baixa Tensión tamén adopta o termo "subestacións prefabricadas de alta/baixa tensión", que será referido como "subestacións prefabricadas" para abreviar no texto seguinte.
As características principais das subestacións prefabricadas son as seguintes:
O deseño e a fabricación do produto completan-se na fábrica.
Verificado polas probas de tipo especificadas no estándar GB/T 17467.
Validado mediante probas de fábrica.
A súa composición básica consiste en tres unidades funcionais, nomeadamente a sala de transformadores, a sala de interruptores de alta tensión e a sala de interruptores de baixa tensión. Os componentes clave montados dentro (no estándar, os transformadores, os interruptores de alta tensión, os interruptores de baixa tensión, etc. defínense como componentes clave) foron verificados como aptos tanto polas probas de tipo como polas probas de fábrica. Estes componentes están conectados entre si conforme se require e ensamblados dentro dunha caixa compartida ou en caxa para formar un produto de subestación prefabricada. O esquema típico é verificado por probas de tipo de acordo coas exigencias do GB/T 17467, e despois entregado aos usuarios para instalación e uso tras pasar as probas de fábrica. Isto representa a forma estrutural básica dunha subestación prefabricada típica.
Nas aplicacións prácticas, dispoñen de dispositivos de automatización, unidades de comunicación, sistemas de videovixilancia, sistemas de alimentación de control, sistemas de protección contra incendios, etc. integrados nas subestacións prefabricadas, converteñose en compoñentes ou complementos importantes para satisfacer os requisitos funcionais das subestacións prefabricadas en diferentes condicións de traballo.
As principais vantaxes das subestacións prefabricadas inclúen alta integración, pequena pegada, período de construción curto, selección de emplazamento flexible, forte adaptabilidade ao medio ambiente, instalación e uso cómodos, operación segura e fiábel, baixo investimento e resultados rápidos.
Nos últimos anos, as subestacións prefabricadas experimentaron un rápido desenvolvemento e unha amplia aplicación nos campos de xeración de enerxía renovábel e almacenamento de enerxía, como a enerxía eólica e a fotovoltaica, permitindo a transmisión ou intercambio de enerxía eléctrica.
Escenarios de aplicación das subestacións prefabricadas: Na rede de distribución, as subestacións prefabricadas logran a distribución da enerxía eléctrica mediante a redución de tensión para satisfacer as necesidades dos usuarios finais; no sistema de xeración, realizan a transmisión da enerxía eléctrica desde o lado da xeración á rede mediante o aumento de tensión e a conexión á rede.
A capacidade nominal e o nivel de tensión do transformador equipado nas subestacións prefabricadas son indicadores importantes para medir a escala e configuración da subestación. Xeralmente, para subestacións prefabricadas con unha capacidade nominal do transformador de arredor de 10.000 kV·A e un nivel de tensión de 40,5 kV ou inferior, o transformador e os interruptores ou outros equipos ensamblanse nun todo, ou transportanse ao local en módulos separados e despois ensamblanse nun todo.
Cando a capacidade do transformador supera os 31.500 kV·A, os interruptores de apoio e outros equipos auxiliares instálanse dentro da caxa da subestación prefabricada, mentres que os transformadores principais instálanse ao aire libre. Hai dous ou máis transformadores principais, que finalmente conectanse para formar unha subestación completa, permitindo así a transmisión ou intercambio de enerxía eléctrica.Este artigo clasifica as subestacións prefabricadas segundo aspectos como a dirección de desenvolvemento da industria ou as características principais do produto, e analiza as súas tendencias de desenvolvemento no campo das subestacións.
2.Métodos Convencionais de Clasificación das Subestacións Prefabricadas
Nas aplicacións prácticas, as subestacións prefabricadas varían significativamente en términos da capacidade nominal e características estructurais do transformador, nivel de tensión nominal, componentes clave, material e forma estructural da caxa, escenarios de aplicación e propósitos principais. Ademais, debido ás diferenzas nos campos de aplicación, os estándares da industria e os métodos de verificación do produto tamén difiren. A continuación, clasifícanse as subestacións prefabricadas desde diferentes dimensións ou segundo as súas características principais.
1) Clasificación polo Nivel de Tensión Nominal no Lado de Alta Tensión
As subestacións prefabricadas clasifícanse segundo o nivel de tensión nominal no lado de alta tensión en: subestacións prefabricadas de alta tensión, subestacións prefabricadas de media tensión e subestacións prefabricadas de baixa tensión. O nivel de tensión nominal no lado de alta tensión das subestacións prefabricadas de alta tensión é de 110 kV ou superior, o das subestacións prefabricadas de media tensión está entre 3,6 e 40,5 kV, e o das subestacións prefabricadas de baixa tensión é de 1,14 kV ou inferior.
As subestacións prefabricadas de alta tensión xeralmente instálanse preto do centro da carga eléctrica. adoitan adoptar un modo de construción de subestación que combina a fabricación modular coa construción no local. Caracterízanse por un alto nivel de tensión no lado de alta tensión do transformador, unha gran capacidade unitaria e un número relativamente grande de equipos de apoio primarios e secundarios.
As subestacións prefabricadas de media tensión xeralmente úsanse en sistemas de xeración de enerxía, nos terminais da rede de distribución ou en escenarios de suministro de enerxía temporal. A súa configuración de esquema é relativamente simple, a capacidade do transformador é relativamente pequena e o proceso de fabricación é relativamente sinxelo.As subestacións prefabricadas de baixa tensión xeralmente instalan equipo de control secundario, equipo auxiliar ou interruptores de baixa tensión dentro para cumprir requisitos funcionais específicos.
2) Clasificación polo Uso ou Ambiente de Instalación
Clasifícanse en subestacións prefabricadas interiores e subestacións prefabricadas exteriores segundo o uso ou o ambiente de instalación. As subestacións prefabricadas mencionadas xeralmente refírense ao tipo exterior. Ademais, en algúns almacéns, edificios ou ao lado de equipos eléctricos interiores con unha carga de potencia relativamente pequena, as subestacións prefabricadas de apoio son subestacións prefabricadas interiores. O seu ambiente de uso ou nivel de protección é relativamente mellor que o das subestacións prefabricadas exteriores, e o propio produto ten requisitos ligeramente menores en termos de protección ambiental e seguridade.
3) Clasificación polo Método de Instalación do Produto
Clasifícanse en subestacións prefabricadas fixas e subestacións prefabricadas móbeis segundo o método de instalación do produto. Xeralmente, as subestacións prefabricadas instálanse fixamente na base, e a súa posición de instalación non cambia durante o uso.
En algúns escenarios de aplicación, como minas, campos petrolíferos, obxectos de construción e escenarios de suministro de enerxía para manutención temporal, a medida que avanza a construción, a localización da subestación prefabricada adoita ter que cambiarse. Hai dous tipos de subestacións prefabricadas móbeis: subestacións prefabricadas con rodas e subestacións prefabricadas sobre patín. Cando a posición de suministro de enerxía da subestación prefabricada necesita moverse, pode ser remolcada e transportada usando un remolque ou un semiremolque.
4) Clasificación polo Material Usado na Fabricación da Caxa
Segundo os diferentes materiais utilizados na fabricación da caxa das subestacións prefabricadas, poden categorizarse en tipo de placa de acero, tipo de material non metálico, tipo de placa de acero inoxidable, tipo de liga de aluminio, tipo de placa composta de acero pintado, tipo de placa Jinbang, tipo de placa revestida de magnesio-aluminio-zinc, tipo de contedor, etc. A característica principal é que os materiais ou formas estructurais das caxas das subestacións prefabricadas varían, podendo satisfacer as diferentes necesidades dos usuarios ou requisitos de uso.
5) Clasificación polo Aspecto da Caxa ou o Grao de Adaptación ao Ambiente
Segundo os requisitos especiais das subestacións prefabricadas para o entorno de uso circundante, poden dividirse ademais en tipo normal, tipo paisaxe (por exemplo, a superficie da caxa ten estilos que imitan a arquitectura antiga china, a arquitectura europea, a modelización artística ou paisaxes adhesivas), etc. Por exemplo, a subestación prefabricada utilizada nun parque ten a forma dun pavillón ou dun edificio que se adapta ao entorno do parque, e a súa superficie está decorada con paisaxes ou tonalidades de cores diferentes.
6) Clasificación por Diferentes Métodos de Instalación
Segundo o grao de combinación entre a subestación prefabricada e a base, pódese dividir en subestacións prefabricadas de superficie, subestacións prefabricadas semienterradas e subestacións prefabricadas totalmente enterradas.Unha subestación prefabricada de superficie instala toda a subestación prefabricada sobre a base. Nuna subestación prefabricada semienterrada, as salas de interruptores de alta tensión e baixa tensión entre as tres salas funcionais básicas están situadas sobre a base, mentres que a sala de transformadores está situada debaixo e se afunda na base.
O volume global do produto é relativamente pequeno. Unha subestación prefabricada totalmente enterrada significa que todo o produto se afunda na base, con só orificios de inspección ou ventilación expostos sobre a base. Este tipo de produto é particularmente adecuado para o centro da cidade ou áreas centrais densamente povoadas, reducindo o impacto visual do produto no entorno de uso e aumentando a seguridade e fiabilidade da operación do produto.
7) Clasificación por Diferentes Métodos de Disposición das Salas Funcionais
Segundo a disposición ou combinación diferente das tres salas funcionais básicas (sala de alta tensión, sala de baixa tensión e sala de transformadores) das subestacións prefabricadas, poden dividirse ademais en subestacións prefabricadas en forma de "ojo", subestacións prefabricadas en forma de "alfiler", subestacións prefabricadas en forma de "H", subestacións prefabricadas en forma de "mancuerna", subestacións prefabricadas en forma de "campo", etc.
Na subestación prefabricada en forma de "ojo", a sala de transformadores está disposta no medio, mentres que as salas de alta tensión e baixa tensión están dispostas a ambos os lados. A súa disposición global é similar ao carácter chino "目". Na subestación prefabricada en forma de "alfiler", as tres salas funcionais están dispostas xuntas, similar á forma do carácter chino "针".
Na subestación prefabricada en forma de "H", as salas de alta tensión e baixa tensión fanse en caixas separadas, e as partes vivas do transformador de líquido están completamente encerradas e colocadas entre as dúas caixas. Ademais, emprega-se unha proteción e isolamento simples con redes de escudo en ambos os lados do transformador, que mellora as condicións de dissipación de calor durante a operación do transformador. Na subestación prefabricada en forma de "mancuerna", hai realmente un conxunto de armarios de interruptores de alta tensión, dous conxuntos de transformadores e armarios de interruptores de baixa tensión.
A sala de alta tensión está situada no medio da caxa, mentres que a sala de transformadores e a sala de baixa tensión están respectivamente a ambos os lados da sala de transformadores. A disposición global de cada sala funcional ten a forma de "mancuerna". Na subestación prefabricada en forma de "campo", a sala de baixa tensión está dividida en dúas compartimentacións independentes (a sala de interruptores de baixa tensión e a sala de automatización). Xunto coa sala de alta tensión e a sala de transformadores, a disposición global toma a forma do carácter chino "田".
8) Clasificación por Denominación Costumizada
Segundo as características principais e as denominacións costumizadas do produto, as subestacións prefabricadas divídense en subestacións europeas, subestacións americanas e subestacións chinas.
As unidades clave (interruptores de alta tensión, interruptores de baixa tensión, transformadores) das subestacións prefabricadas son todos produtos estándar que foron finalizados despois das probas de tipo. Inicialmente, introduciéronse principalmente desde países europeos como Alemaña, coñecidos comúnmente como "subestacións europeas". As súas características principais inclúen a interconexión e combinación de componentes clave, esquemas de deseño flexibles e variáveis, e expansión de capacidade do transformador relativamente conveniente. Actualmente, usanse amplamente tanto na rede de distribución como nos sistemas de xeración de enerxía.
Segundo o estándar JB/T 10217, unha subestación americana é unha subestación prefabricada na que o interruptor de alta tensión está instalado no tanque de aceite do transformador e o aceite do transformador úsase como medio de aislamento e extinción de arcos, mentres que o interruptor de baixa tensión está instalado na caxa de baixa tensión. Por exemplo, a subestación prefabricada económica de 10 kV representada pola compañía americana Cooper, coñécese comúnmente como "subestación americana".
A característica principal dunha subestación americana é que o interruptor de carga de alta tensión, o núcleo do transformador, a bobina, etc. están sumergidos no mesmo tanque de aceite, e o aceite do transformador úsase en común como medio de aislamento, extinción de arcos e refrigeración. Emprega unha protección de dobre fusible, e os fusibles teñen características sensibles a corrente e temperatura, que melloran enormemente a sensibilidade e fiabilidade da protección do transformador. As principais vantaxes das subestacións americanas son o tamaño pequeno, a estructura compacta, a simplicidade e a economía.
No entanto, as súas desvantaxes tamén son evidentes, como a rápida diminución do rendemento de aislamento do aceite do transformador, un esquema simple e pouca flexibilidade. O arco xerado pola apertura e pechado do interruptor de alta tensión causará a deterioración da calidade do aceite do transformador. Actualmente, as subestacións americanas de 10 kV raramente úsanse na rede de distribución e foron clasificadas como produtos que están sendo eliminados ou restrinxidos.
Despois de modificacións e actualizacións, as subestacións americanas de 10 kV aumentaron o nivel de tensión a 35 kV e aplicáronse nos sistemas de xeración de enerxía renovábel. Debido á súa estructura compacta, pequena pegada e baixo custo de fabricación, están sendo promovidas e utilizadas cada vez máis.
Nos últimos anos, as subestacións prefabricadas utilizadas en sistemas de enerxía renovábel como a eólica e a fotovoltaica funcionan principalmente para transmitir a enerxía eléctrica desde o lado da xeración con un nivel de tensión menor a unha subestación de alta tensión de 35 kV. A capacidade do transformador está aumentando cada vez máis. Se se diseña na forma de "subestacións europeas", o transformador instálase na sala de transformadores de xeito cerrado, e é difícil disipar o calor xerado ao exterior.
Requírese equipo adicional como ventiladores ou intercambiadores de calor para resolver este problema. Polo tanto, surxe unha subestación prefabricada con unha estructura relativamente compacta e un transformador de líquido instalado fóra da caxa. As súas características principais son: o transformador instálase ao aire libre, o que resolve os problemas de protección e disipación de calor do transformador, e o custo de fabricación reduce significativamente. Aparece algo similar a unha "subestación americana" en apariencia, pero en esencia aínda pertence a unha "subestación europea". Cando apareceu por primeira vez na industria, chamouse "subestación prefabricada compacta". Dado que foi desenvolvida con éxito por primeira vez en China e aplicada a proxectos de enxeñaría reais, coñécese comúnmente como "subestación chinesa" na industria. No entanto, as súas características de produto están máis en liña coas solicitadas polo estándar GB/T 40823.
3. Tendencias de Desenvolvemento das Subestacións Prefabricadas
As tendencias de desenvolvemento das subestacións prefabricadas analízanse desde os seguintes aspectos diferentes.
1) Diversificación dos Materiais e Formas Estructurais de Fabricación da Caxa
O cambio máis intuitivo e perceptible é que as formas estructurais das caxas das subestacións prefabricadas están mostrando unha tendencia de diversificación, que pode observarse na forma, cor e material das caxas. A caxa debe estar en harmonía co entorno circundante. Por exemplo, as subestacións europeas xeralmente afúndanse 1 m subterráneamente, e a parte sobreaérea non é superior a 1,5 m, o que non afecta á vista a lonxa nin causa lesións accidentais se as crianzas trepan para xogar. Os materiais utilizados son non metálicos, que son ecolóxicos e facilmente coordinables co entorno circundante.
Os materiais comúns para a carcasa externa inclúen placas de acero ordinarias, placas de acero inoxidable, placas de liga de aluminio e placas compostas de acero pintado. Hace anos, tamén entraron en uso as placas de cemento reforzado con fibra de vidro, as placas de plástico reforzado con fibra de vidro e os materiais non metálicos. Ademais, pode haber varios materiais na mesma caxa. Por exemplo, o exterior dunha caxa ordinaria pode decorarse con táboas de madeira e táboas decorativas de azulexo, e utilizan materiais aislantes térmicos como o poliestireno expandido (EPS), a fibra de vidro, o amianto e a lana de silicato de aluminio na capa intermedia da estrutura de dobre capa.
En termos de resistencia á corrosión, ao fogo e aos arcos de fallo, as carcasas de material non metálico son significativamente superiores ás carcasas de material metálico. Algúns subestacións prefabricadas usan placas Jinbang como material de carcasa, que caracterízanse por ser ecolóxicas, leves, de alta resistencia, aislantes acústicos, aislantes térmicos, resistentes á auga, ao fogo e á corrosión.
2) Forte Promoción e Aplicación de Interruptores Isolados a Gas SF6
Para subestacións prefabricadas con un nivel de tensión de 40,5 kV ou inferior, o lado de alta tensión xeralmente usa interruptores ou interruptores de carga aislados por aire ou gas SF6, e algúns produtos usan interruptores de carga con aceite de transformador como medio de aislamento.
Nas subestacións prefabricadas de 12 kV, xa que a capacidade do transformador xeralmente está por debaixo de 1.250 kV·A, os electrodomésticos combinados (interruptor de carga + fusible) ou interruptores de carga están sendo cada vez máis utilizados. Cando se usa un interruptor para protexer o transformador, o tempo para cortar a liña defectuosa é ligeramente maior, o que non é beneficioso para a protección do equipo clave (como o transformador). Pero o fusible nos electrodomésticos combinados pode cortar a corrente de fallo en 20 ms.
As unidades de interruptor de carga para o nivel de tensión de 12 kV inclúen armarios de interruptor de carga de xeración de gas, armarios de interruptor de circuito de vacío, armarios de interruptor de carga de vacío e interruptores isolados a gas SF6. Actualmente, os interruptores isolados a gas SF6 son os máis comúnmente aplicados nas subestacións prefabricadas, e teñen ventaxes máis distintas en termos de altitude, fiabilidade, seguridade, tamaño e entornos de aplicación especial.
3) Meloría do Rendemento do Transformador e Ventilación e Disipación de Calor
Nas subestacións prefabricadas de 12 kV, os transformadores comúnmente utilizados inclúen transformadores de líquido e transformadores secos, e o seu rendemento de aislamento e as súas perdas en vacío e carga foron optimizadas adicionalmente. Nos edificios altos, do transformador ao interruptor, requírense transformadores secos que non conteñan materiais inflamables e que non sexan facilmente contaminados polo aceite do transformador.
O principio da ventilación e disipación de calor para os transformadores é: principalmente ventilación natural, complementada por refrigeración forzada. Un método común de refrigeración forzada é instalar ventiladores na parte superior da sala de transformadores ou nas paneles de parede da caxa para soplar o aire fóra da caxa, agitando a circulación de aire quente na sala. Ás veces, tamén se colocan ventiladores debaixo do transformador para fornecer aire frío cara adentro, resultando en un efecto de disipación de calor relativamente bo.
4) Arcos de Fallo Internos nas Subestacións Prefabricadas
Poden ocorrer arcos de fallo internos nas subestacións prefabricadas, e as medidas que se poden tomar divídense en dúas categorías: medidas proactivas e medidas reactivas. As medidas proactivas visan principalmente limitar a duración do arco de fallo, mentres que as medidas reactivas centranse en limitar os efectos causados polo arco de fallo. Aínda que non é posible evitar completamente a ocorrencia de arcos internos, poden evitarse. Limitando os efectos nocivos causados pola duración do arco, pódese minimizar o impacto do arco de fallo sobre persoas ou equipos.
Aínda que a proba de arco de fallo interno non está incluída nos items de proba obrigatórios, considerase un "item de proba de tipo obrigatorio cando é aplicable". Debido á súa amenaza directa á seguridade persoal e á operación normal do equipo, atraiu gran atención por parte dos fabricantes e usuarios. Polo tanto, o item de proba de queima de arco está sendo gradualmente e vigorosamente promovido nas probas de tipo e nas inspeccións de calidade aleatorias das subestacións prefabricadas.
5) Considerable Desenvolvemento na Intelixencia
A intelixencia é unha característica clave das redes inteligentes e tamén unha dirección de desenvolvemento para as subest
