Análise da Classificação e Tendências de Desenvolvimento de Subestações Pré-fabricadas de Alta/Baixa Tensão
1. Introdução
Subestações pré-fabricadas de alta e baixa tensão, comumente conhecidas como "subestações pré-fabricadas", são abreviadas como "subestações pré-fab" ou "subestações em caixa". Na China, foram anteriormente chamadas por vários nomes, como "subestações combinadas", "transformadores combinados", "subestações compactas montadas em fábrica", "unidades de recepção de energia de alta tensão em caixa" e "subestações compactas pré-fabricadas". Em novembro de 1995, a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) as nomeou oficialmente como "subestações pré-fabricadas de alta e baixa tensão" no padrão IEC 1330. O padrão atual GB/T 17467—2020 Subestações Pré-fabricadas de Alta e Baixa Tensão também adota o termo "subestações pré-fabricadas de alta e baixa tensão", que será referido como "subestações pré-fabricadas" para abreviar no texto seguinte.
As principais características das subestações pré-fabricadas são as seguintes:
O design e a fabricação do produto são concluídos na fábrica.
Verificado por testes de tipo conforme especificado no padrão GB/T 17467.
Validado através de testes de fábrica.
Sua composição básica consiste em três unidades funcionais, a saber, a sala de transformador, a sala de chaveamento de alta tensão e a sala de chaveamento de baixa tensão. Os componentes-chave montados internamente (no padrão, transformadores, equipamentos de chaveamento de alta tensão, equipamentos de chaveamento de baixa tensão, etc. são definidos como componentes-chave) foram verificados como qualificados através de testes de tipo e de fábrica. Esses componentes são conectados conforme necessário e montados dentro de um compartimento compartilhado ou caixa para formar um produto de subestação pré-fabricada. O esquema típico é verificado por testes de tipo de acordo com os requisitos do GB/T 17467 e, em seguida, entregue aos usuários para instalação e uso após passar pelos testes de fábrica. Isso representa a forma estrutural básica de uma subestação pré-fabricada típica.
Em aplicações práticas, dispositivos de automação, unidades de comunicação, sistemas de vigilância por vídeo, sistemas de alimentação de controle, sistemas de proteção contra incêndio, etc., são integrados às subestações pré-fabricadas, tornando-se componentes importantes ou suplementos para atender aos requisitos funcionais das subestações pré-fabricadas em diferentes condições de trabalho.
As principais vantagens das subestações pré-fabricadas incluem alta integração, pequena área ocupada, curto período de construção, flexibilidade de localização, forte adaptação ao ambiente, instalação e uso convenientes, operação segura e confiável, baixo investimento e resultados rápidos.
Nos últimos anos, as subestações pré-fabricadas têm experimentado um desenvolvimento rápido e ampla aplicação em campos de geração de energia renovável e armazenamento de energia, como geração eólica e fotovoltaica, permitindo a transmissão ou troca de energia elétrica.
Cenários de aplicação de subestações pré-fabricadas: na rede de distribuição, as subestações pré-fabricadas realizam a distribuição de energia elétrica através da redução de tensão para atender aos requisitos dos usuários finais; no sistema de geração de energia, elas realizam a transmissão de energia elétrica do lado de geração para a rede através do aumento de tensão e conexão à rede.
A capacidade nominal e o nível de tensão do transformador equipado nas subestações pré-fabricadas são indicadores importantes para medir a escala e a configuração da subestação. Geralmente, para subestações pré-fabricadas com capacidade nominal do transformador de cerca de 10.000 kV·A e nível de tensão de 40,5 kV ou inferior, o transformador e o equipamento de chaveamento ou outros equipamentos são montados como um todo, ou transportados ao local em módulos separados e, em seguida, montados como um todo.
Quando a capacidade do transformador excede 31.500 kV·A, o equipamento de chaveamento auxiliar e outros equipamentos auxiliares são instalados dentro da caixa da subestação pré-fabricada, enquanto os transformadores principais são instalados ao ar livre. Há dois ou mais transformadores principais, que são finalmente conectados para formar uma subestação completa, permitindo assim a transmissão ou troca de energia elétrica.Este artigo classifica as subestações pré-fabricadas a partir de aspectos como a direção de desenvolvimento da indústria ou as principais características do produto e analisa suas tendências de desenvolvimento no campo de subestações.
2. Métodos Convencionais de Classificação de Subestações Pré-fabricadas
Em aplicações práticas, as subestações pré-fabricadas variam significativamente em termos de capacidade nominal e características estruturais do transformador, nível de tensão nominal, componentes-chave, material e forma estrutural da caixa, cenários de aplicação e propósitos principais. Além disso, devido às diferenças nos campos de aplicação, os padrões da indústria e os métodos de verificação do produto também diferem. A seguir, as subestações pré-fabricadas são classificadas a partir de diferentes dimensões ou com base em suas principais características.
1) Classificação pelo Nível de Tensão Nominal do Lado de Alta Tensão
As subestações pré-fabricadas são classificadas de acordo com o nível de tensão nominal do lado de alta tensão em: subestações pré-fabricadas de alta tensão, subestações pré-fabricadas de média tensão e subestações pré-fabricadas de baixa tensão. O nível de tensão nominal do lado de alta tensão das subestações pré-fabricadas de alta tensão é de 110 kV ou superior, o das subestações pré-fabricadas de média tensão varia de 3,6 a 40,5 kV, e o das subestações pré-fabricadas de baixa tensão é de 1,14 kV ou inferior.
As subestações pré-fabricadas de alta tensão geralmente são instaladas perto do centro da carga elétrica. Elas frequentemente adotam um modo de construção de subestação que combina a fabricação modular com a construção no local. Caracterizam-se por um alto nível de tensão no lado de alta tensão do transformador, uma grande capacidade unitária e um número relativamente grande de equipamentos de suporte primário e secundário.
As subestações pré-fabricadas de média tensão são tipicamente usadas em sistemas de geração de energia, nos terminais da rede de distribuição ou em cenários de fornecimento de energia temporária. Sua configuração de esquema é relativamente simples, a capacidade do transformador é relativamente pequena e o processo de fabricação é relativamente simples.As subestações pré-fabricadas de baixa tensão geralmente instalam equipamentos de controle secundário, equipamentos auxiliares ou quadros de baixa tensão internamente para atender a requisitos funcionais específicos.
2) Classificação pelo Ambiente de Uso ou Instalação
Elas são classificadas em subestações pré-fabricadas internas e subestações pré-fabricadas externas de acordo com o ambiente de uso ou instalação. As subestações pré-fabricadas comumente mencionadas geralmente se referem ao tipo externo. Além disso, em algumas fábricas, edifícios ou ao lado de equipamentos elétricos internos com uma carga de potência relativamente pequena, as subestações pré-fabricadas de suporte são subestações pré-fabricadas internas. Seu ambiente de uso ou nível de proteção é relativamente melhor do que o das subestações pré-fabricadas externas, e o próprio produto tem requisitos ligeiramente menores para proteção ambiental e segurança.
3) Classificação pelo Método de Instalação do Produto
Elas são classificadas em subestações pré-fabricadas fixas e subestações pré-fabricadas móveis de acordo com o método de instalação do produto. Geralmente, as subestações pré-fabricadas são instaladas fixamente na fundação, e sua posição de instalação permanece inalterada durante o uso.
Em alguns cenários de aplicação, como minas, campos de petróleo, canteiros de obras e cenários de fornecimento de energia temporária para manutenção, à medida que a construção avança, a localização da subestação pré-fabricada muitas vezes precisa ser alterada. Existem dois tipos de subestações pré-fabricadas móveis: subestações pré-fabricadas sobre rodas e subestações pré-fabricadas sobre trilhos. Quando a posição de fornecimento de energia da subestação pré-fabricada precisa ser movida, ela pode ser rebocada e transportada usando um reboque ou semi-reboque.
4) Classificação pelo Material Utilizado na Fabricação da Caixa
De acordo com os diferentes materiais utilizados na fabricação da caixa das subestações pré-fabricadas, elas podem ser categorizadas em tipo de placa de aço, tipo não metálico, tipo de placa de aço inoxidável, tipo de liga de alumínio, tipo de placa composta de aço colorido, tipo de placa Jinbang, tipo de placa revestida de magnésio-alumínio-zinco, tipo contêiner, etc. A característica principal é que os materiais ou formas estruturais das caixas das subestações pré-fabricadas variam, podendo atender às diferentes necessidades dos usuários ou requisitos de uso.
5) Classificação pela Aparência da Caixa ou Grau de Combinação com o Ambiente
De acordo com os requisitos especiais das subestações pré-fabricadas para o ambiente de uso circundante, elas podem ser divididas ainda em tipos comuns, paisagísticos (por exemplo, a superfície da caixa tem estilos imitando a arquitetura antiga chinesa, arquitetura europeia, modelagem artística ou pinturas paisagísticas coladas), etc. Por exemplo, a subestação pré-fabricada usada em um parque tem a forma de um pavilhão ou edifício que combina com o ambiente do parque, e sua superfície é decorada com pinturas paisagísticas ou diferentes tons de cor.
6) Classificação por Diferentes Métodos de Instalação
De acordo com o grau de combinação entre a subestação pré-fabricada e a fundação, ela pode ser dividida em subestações pré-fabricadas acima do solo, subestações pré-fabricadas semi-enterradas e subestações pré-fabricadas totalmente enterradas.Uma subestação pré-fabricada acima do solo instala toda a subestação pré-fabricada no topo da fundação. Em uma subestação pré-fabricada semi-enterrada, as salas de chaveamento de alta e baixa tensão entre as três salas funcionais básicas estão localizadas acima da fundação, enquanto a sala de transformador está localizada abaixo e afunda na fundação.
O volume total do produto é relativamente pequeno. Uma subestação pré-fabricada totalmente enterrada significa que todo o produto afunda na fundação, com apenas aberturas de poços de inspeção ou orifícios de ventilação expostos acima da fundação. Este tipo de produto é particularmente adequado para o centro da cidade ou áreas centrais densamente povoadas, reduzindo o impacto visual do produto no ambiente de uso e aumentando a segurança e confiabilidade da operação do produto.
7) Classificação por Diferentes Métodos de Arranjo das Salas Funcionais
De acordo com os diferentes arranjos ou combinações das três salas funcionais básicas (sala de alta tensão, sala de baixa tensão e sala de transformador) das subestações pré-fabricadas, elas podem ser divididas em subestações pré-fabricadas em forma de "olho", subestações pré-fabricadas em forma de "alfinete", subestações pré-fabricadas em forma de "H", subestações pré-fabricadas em forma de "haltere", subestações pré-fabricadas em forma de "campo", etc.
Na subestação pré-fabricada em forma de "olho", a sala de transformador é disposta no meio, enquanto as salas de alta e baixa tensão são dispostas de ambos os lados. Sua disposição geral é semelhante ao caractere chinês "目". Em uma subestação pré-fabricada em forma de "alfinete", as três salas funcionais são dispostas juntas, semelhantes à forma do caractere chinês "针".
Na subestação pré-fabricada em forma de "H", as salas de alta e baixa tensão são feitas em caixas separadas, e as partes vivas do transformador a óleo são completamente encapsuladas e colocadas entre as duas caixas. Além disso, é adotada uma proteção e isolamento simples por malha em ambos os lados do transformador, o que melhora as condições de dissipação de calor durante a operação do transformador. Em uma subestação pré-fabricada em forma de "haltere", há, na verdade, um conjunto de quadros de chaveamento de alta tensão, dois conjuntos de transformadores e quadros de chaveamento de baixa tensão.
A sala de alta tensão está localizada no meio da caixa, enquanto a sala de transformador e a sala de baixa tensão estão respectivamente de ambos os lados da sala de transformador. A disposição geral de cada sala funcional é em forma de "haltere". Em uma subestação pré-fabricada em forma de "campo", a sala de baixa tensão é dividida em dois compartimentos independentes (a sala de chaveamento de baixa tensão e a sala de automação). Juntamente com a sala de alta tensão e a sala de transformador, a disposição geral assume a forma do caractere chinês "田".
8) Classificação por Apelação Consuetudinária
De acordo com as principais características e apelações consuetudinárias do produto, as subestações pré-fabricadas são divididas em subestações de estilo europeu, subestações de estilo americano e subestações de estilo chinês.
As unidades-chave (equipamentos de chaveamento de alta tensão, equipamentos de chaveamento de baixa tensão, transformadores) das subestações pré-fabricadas são todos produtos padronizados que foram finalizados após testes de tipo. Inicialmente, eles foram principalmente introduzidos de países europeus como a Alemanha, comumente conhecidos como "subestações de estilo europeu". Suas principais características incluem a interconexão e combinação de componentes-chave, esquemas de design flexíveis e mutáveis, e expansão de capacidade do transformador relativamente conveniente. Atualmente, eles são amplamente utilizados tanto na rede de distribuição quanto nos sistemas de geração de energia.
Conforme o padrão JB/T 10217, uma subestação de estilo americano é uma subestação pré-fabricada na qual o interruptor de alta tensão é instalado no tanque de óleo do transformador e o óleo do transformador é usado como meio de isolamento e extinção de arco, enquanto o interruptor de baixa tensão é instalado na caixa de baixa tensão. Por exemplo, a subestação pré-fabricada econômica de 10 kV representada pela empresa americana Cooper, comumente conhecida como "subestação de estilo americano".
A principal característica de uma subestação de estilo americano é que o interruptor de carga de alta tensão, núcleo do transformador, bobinas, etc., estão imersos no mesmo tanque de óleo, e o óleo do transformador é usado conjuntamente como meio de isolamento, extinção de arco e resfriamento. Adota proteção dupla de fusíveis, e os fusíveis têm características sensíveis a corrente e temperatura, o que aumenta significativamente a sensibilidade e confiabilidade da proteção do transformador. As principais vantagens das subestações de estilo americano são tamanho compacto, estrutura compacta, simplicidade e economia.
No entanto, seus desvantagens também são evidentes, como a rápida queda no desempenho de isolamento do óleo do transformador, um esquema simples e baixa flexibilidade. O arco gerado pela abertura e fechamento do interruptor de alta tensão causará a deterioração da qualidade do óleo do transformador. Atualmente, as subestações de 10 kV de estilo americano são raramente usadas na rede de distribuição e foram classificadas como produtos em fase de eliminação ou restrição.
Após modificações e atualizações, as subestações de 10 kV de estilo americano aumentaram o nível de tensão para 35 kV e são aplicadas em sistemas de geração de energia renovável. Devido à sua estrutura compacta, pequena área ocupada e baixo custo de fabricação, elas estão sendo cada vez mais promovidas e utilizadas.
Nos últimos anos, as subestações pré-fabricadas usadas em sistemas de energia renovável, como geração eólica e fotovoltaica, principalmente funcionam para transmitir energia elétrica do lado de geração com um nível de tensão menor para uma subestação de alta tensão de 35 kV. A capacidade do transformador está ficando cada vez maior. Se projetadas na forma de "subestações de estilo europeu", o transformador é instalado na sala de transformador de forma fechada, e é difícil dissipar o calor gerado para o exterior.
É necessário equipamento adicional, como ventiladores ou trocadores de calor, para resolver esse problema. Portanto, surgiu uma subestação pré-fabricada com estrutura relativamente compacta e transformador a líquido instalado fora da caixa. Suas principais características são: o transformador é instalado ao ar livre, o que resolve os problemas de proteção e dissipação de calor do transformador, e o custo de fabricação é significativamente reduzido. Parece um pouco com uma "subestação de estilo americano" em aparência, mas, essencialmente, ainda pertence a uma "subestação de estilo europeu". Quando apareceu pela primeira vez na indústria, foi nomeada "subestação pré-fabricada compacta". Como foi desenvolvida com sucesso pela primeira vez na China e aplicada a projetos de engenharia reais, é comumente conhecida como "subestação de estilo chinês" na indústria. No entanto, suas características de produto estão mais alinhadas com os requisitos do padrão GB/T 40823.
3. Tendências de Desenvolvimento de Subestações Pré-fabricadas
As tendências de desenvolvimento de subestações pré-fabricadas são analisadas a partir dos seguintes aspectos diferentes.
1) Diversificação de Materiais e Formas Estruturais de Fabricação de Caixas
A mudança mais intuitiva e perceptível é que as formas estruturais das caixas das subestações pré-fabricadas estão mostrando uma tendência de diversificação, que pode ser observada a partir da forma, cor e material das caixas. A caixa deve estar em harmonia com o ambiente circundante. Por exemplo, as subestações de estilo europeu geralmente afundam 1 m no subsolo, e a parte acima do solo não é superior a 1,5 m, o que não afeta a visão de longa distância nem causa lesões acidentais se as crianças subirem para brincar. Os materiais utilizados são não metálicos, que são ecologicamente corretos e facilmente coordenados com o ambiente circundante.
Materiais comuns para a carcaça externa incluem placas de aço comum, placas de aço inoxidável, placas de liga de alumínio e placas compostas de aço colorido. Há alguns anos, placas de cimento reforçado com fibra de vidro, placas de plástico reforçado com fibra de vidro e materiais não metálicos também entraram em uso. Além disso, pode haver vários materiais na mesma caixa. Por exemplo, o exterior de uma caixa comum pode ser decorado com painéis de madeira e painéis decorativos de azulejo esmaltado, e materiais isolantes térmicos como poliestireno expandido (EPS), fibra de vidro, amianto e lã de silicato de alumínio são usados na camada intermediária da estrutura dupla.
Em termos de resistência à corrosão, resistência ao fogo e resistência a arcos de falha, as carcaças de material não metálico são significativamente superiores às carcaças de material metálico. Algumas subestações pré-fabricadas usam placas Jinbang como material de carcaça, que são caracterizadas por serem ecologicamente corretas, leves, de alta resistência, isolantes acústicos, isolantes térmicos, resistentes à água, ao fogo e à corrosão.
2) Forte Promoção e Aplicação de Equipamentos de Chaveamento Isolados a Gás SF6
Para subestações pré-fabricadas com nível de tensão de 40,5 kV ou inferior, o lado de alta tensão geralmente usa disjuntores ou chaves de carga isolados por ar ou gás SF6, e alguns produtos usam chaves de carga com óleo de transformador como meio de isolamento.
Em subestações pré-fabricadas de 12 kV, como a capacidade do transformador geralmente é inferior a 1.250 kV·A, equipamentos elétricos combinados (chave de carga + fusível) ou chaves de carga estão sendo cada vez mais utilizados. Quando um disjuntor é usado para proteger o transformador, o tempo para cortar a linha com falha é ligeiramente mais longo, o que não é favorável à proteção de equipamentos-chave (como o transformador). No entanto, o fusível no equipamento elétrico combinado pode cortar a corrente de falha em 20 ms.
As unidades de chave de carga para o nível de tensão de 12 kV incluem quadros de chave de carga a gás, quadros de disjuntor a vácuo, quadros de chave de carga a vácuo e equipamentos de chaveamento isolados a gás SF6. Atualmente, os equipamentos de chaveamento isolados a gás SF6 são os mais comumente aplicados em subestações pré-fabricadas, e têm vantagens mais distintas em termos de altitude, confiabilidade, segurança, tamanho e ambientes de aplicação especiais.
3) Melhoria do Desempenho do Transformador e Ventilação e Dissipação de Calor
Em subestações pré-fabricadas de 12 kV, os transformadores comumente usados incluem transformadores a líquido e transformadores a seco, e seu desempenho de isolamento e valores de perda a vazio e sob carga foram ainda mais otimizados. Em edifícios altos, do transformador ao quadro de chaveamento, são necessários transformadores a seco que não contêm materiais inflamáveis e não são facilmente contaminados por óleo de transformador.
O princípio de ventilação e dissipação de calor para transformadores é: principalmente ventilação natural, complementada por resfriamento forçado. Um método comum de resfriamento forçado é instalar ventiladores no topo da sala do transformador ou nas placas de parede da caixa para soprar o ar para fora da caixa, agitando a circulação de ar quente no interior. Às vezes, ventiladores também são colocados sob o transformador para fornecer ar frio para dentro, resultando em um efeito de dissipação de calor relativamente bom.
4) Arcos de Falha Internos em Subestações Pré-fabricadas
Arcos de falha internos podem ocorrer em subestações pré-fabricadas, e as medidas que podem ser tomadas são divididas em duas categorias: medidas proativas e medidas reativas. As medidas proativas visam principalmente limitar a duração do arco de falha, enquanto as medidas reativas se concentram em limitar os efeitos causados pelo arco de falha. Embora seja impossível prevenir completamente a ocorrência de arcos internos, eles podem ser prevenidos. Limitando os efeitos nocivos causados pela duração do arco, o impacto do arco de falha sobre pessoas ou equipamentos pode ser minimizado.
Embora o teste de arco de falha interna não esteja incluído nos itens de teste obrigatórios, é considerado um "item de teste de tipo obrigatório quando aplicável". Devido à sua ameaça direta à segurança pessoal e à operação normal do equipamento, tem atraído grande atenção de fabricantes e usuários. Portanto, o item de teste de queima por arco tem sido gradual e vigorosamente promovido nos testes de tipo e inspeções de qualidade de subestações pré-fabricadas.
5) Considerável Desenvolvimento em Inteligência
A inteligência é uma característica-chave das redes inteligentes e também uma direção de desenvolvimento para subestações pré-fabricadas. Subestações pré-fabricadas com alto grau de automação são geralmente referidas como subestações pré-fabricadas inteligentes na indústria. As características de trabalho e responsabilidades das subestações pré-fabricadas inteligentes exigem que tenham boa interatividade.
