Analiza klasifikacije i trendova razvoja visokonaponskih/niskonaponskih prefabriciranih transformatornih stanica

1. Uvod

Visokonaponske/niskonaponske prefabricirane transformatorne stanice, poznate kao "prefabricirane transformatorne stanice", su skraćeno nazvane "prefab stanicama" ili "kontejnerskim stanicama". U Kini su prethodno imale različite nazive, poput "kombinovanih transformatornih stanica", "kombinovanih transformatora", "fabrički montiranih kompaktnih transformatornih stanica", "kontejnerskih visokonaponskih prihvatnih jedinica" i "prefabriciranih kompaktnih transformatornih stanica". U novembru 1995. godine, Međunarodna elektrotehnička komisija (IEC) ih je zvanično nazvala "visokonaponske/niskonaponske prefabricirane transformatorne stanice" u standardu IEC 1330. Trenutni standard GB/T 17467—2020 Visokonaponske/Niskonaponske Prefabricirane Transformatorne Stanice takođe koristi termin "visokonaponske/niskonaponske prefabricirane transformatorne stanice", koji će se u daljem tekstu skraćeno nazivati "prefabricirane transformatorne stanice".

Glavne karakteristike prefabriciranih transformatornih stanica su sledeće:

• Dizajn i proizvodnja proizvoda su završeni u fabriki.

• Provereni tip testiranjem prema standardu GB/T 17467.

• Potvrđeni fabričkim testiranjem.

Njihova osnovna sastavnica se sastoji od tri funkcionalne jedinice, a to su: soba za transformator, soba za visokonaponski prekidnik i soba za niskonaponski prekidnik. Ključni komponenti montirani unutra (u standardu su definisani transformatori, visokonaponski prekidni uređaji, niskonaponski prekidni uređaji itd. kao ključne komponente) su provereni i potvrđeni kvalitetom putem tip i fabričnih testiranja. Ove komponente su međusobno povezane prema potrebi i asamblirane unutar zajedničkog kućišta ili kontejnera kako bi formirale proizvod prefabricirane transformatorne stanice. Tipični shemi su verifikovane tip testiranjem prema zahtevima standarda GB/T 17467, a zatim su dostavljene korisnicima za instalaciju i upotrebu nakon što su prošle fabričnim testiranjem. To predstavlja osnovnu strukturnu formu tipične prefabricirane transformatorne stanice.

U praktičnoj primeni, u prefabricirane transformatorne stanice su integrisani automatizovani uređaji, komunikacioni moduli, sistemi video nadzora, sistemi napajanja za kontrolu, sistemi zaštite od požara itd., postajući važne komponente ili dopune kako bi ispunili funkcionalne zahteve prefabriciranih transformatornih stanica pod različitim radnim uslovima.

Glavne prednosti prefabriciranih transformatornih stanica uključuju visoku integraciju, mali površinski obuhvat, kratko vreme izgradnje, fleksibilan izbor lokacije, snažnu prilagodljivost okruženju, laku instalaciju i upotrebu, sigurno i pouzdano funkcionisanje, niske investicije i brze rezultate.

U poslednjih nekoliko godina, prefabricirane transformatorne stanice su doživile brz razvoj i široku primenu u poljima generisanja nove energije i čuvanja energije, poput vjetračnih i fotovoltačnih elektrana, omogućavajući prenos ili razmenu električne energije.

Scenariji primene prefabriciranih transformatornih stanica: U distribucijskoj mreži, prefabricirane transformatorne stanice ostvaruju raspodelu električne energije kroz snižavanje napona kako bi zadovoljili zahteve krajnjih korisnika; u sistemima generisanja, ostvaruju prenos električne energije sa strane generisanja do mreže kroz podizanje napona i spoj na mrežu.

Nominirana snaga i nivo napona transformatora montiranog u prefabriciranim transformatornim stanicama su važni pokazatelji merila veličine i konfiguracije stanice. Obično, za prefabricirane transformatorne stanice sa nominiranom snalom transformatora oko 10.000 kV·A i nivoom napona od 40,5 kV i niže, transformator i prekidni uređaji ili druga oprema su asamblirani u celinu, ili su transportirani na lokaciju u posebnim modulima i zatim asamblirani u celinu.

Kada prelazi kapacitet transformatora 31.500 kV·A, podržava prekidni uređaji i druga pomoćna oprema su instalirani unutar kutije prefabricirane transformatorne stanice, dok su glavni transformatori instalirani vani. Postoje dva ili više glavnih transformatora, koji su konačno povezani kako bi formirali kompletnu stanicu, omogućavajući prenos ili razmenu električne energije.Ovaj članak klasifikuje prefabricirane transformatorne stanice prema aspektima smernica razvoja industrije ili glavnim karakteristikama proizvoda, i analizira njihove trendove razvoja unutar polja transformatornih stanica.

2. Konvencionalni metodi klasifikacije prefabriciranih transformatornih stanica

U praktičnoj primeni, prefabricirane transformatorne stanice variraju značajno u pogledu nominirane snage i strukturnih karakteristika transformatora, nominiranog nivoa napona, ključnih komponenti, materijala i strukturne forme kutije, scenarija primene i glavnih svrha. Takođe, zbog razlika u poljima primene, industrijski standardi i metode provere proizvoda takođe se razlikuju. Sledeće klasifikuje prefabricirane transformatorne stanice prema različitim dimenzijama ili prema njihovim glavnim karakteristikama.

1) Klasifikacija prema nominiranom nivou napona na visokonaponskoj strani

Prefabricirane transformatorne stanice su klasifikovane prema nominiranom nivou napona na visokonaponskoj strani u: visokonaponske prefabricirane transformatorne stanice, srednjonaponske prefabricirane transformatorne stanice i niskonaponske prefabricirane transformatorne stanice. Nominirani napon na visokonaponskoj strani visokonaponskih prefabriciranih transformatornih stanica je 110 kV i više, srednjonaponskih prefabriciranih transformatornih stanica se kreće od 3,6 do 40,5 kV, a niskonaponskih prefabriciranih transformatornih stanica je 1,14 kV i niže.

Visokonaponske prefabricirane transformatorne stanice obično se instaliraju blizu centra električnog opterećenja. Često koriste modularnu proizvodnju kombinovanu sa građevinskim radovima na mestu. Karakterišu ih visoki nivoo napona na visokonaponskoj strani transformatora, velika jedinica kapaciteta i relativno veliki broj opremnih komponenti prvog i drugog reda.

Srednjonaponske prefabricirane transformatorne stanice se obično koriste u sistemima generisanja, na terminalima distribucijske mreže ili u scenarijima privremenog snabdijevanja strujom. Njihova shema konfiguracije je relativno jednostavna, kapacitet transformatora je relativno mali, a proces proizvodnje je relativno jednostavan.Niskonaponske prefabricirane transformatorne stanice obično instaliraju sekundarne kontrolne uređaje, pomoćnu opremu ili niskonaponske prekidni uređaje unutra kako bi ispunile specifične funkcionalne zahteve.

2) Klasifikacija prema nameni ili okruženju instalacije

Klasifikuju se u unutrašnje prefabricirane transformatorne stanice i spoljašnje prefabricirane transformatorne stanice prema nameni ili okruženju instalacije. Obično, pod prefabriciranim transformatornim stanicama se podrazumevaju one spoljašnje. Takođe, u nekim fabrikama, zgradama ili uz unutrašnju električnu opremu sa relativno malim opterećenjem, podržane prefabricirane transformatorne stanice su unutrašnje. Njihovo okruženje upotrebe ili nivo zaštite je relativno bolji od onih spoljašnjih, a sam proizvod ima manje zahteva u pogledu zaštite okruženja i bezbednosti.

3) Klasifikacija prema metodu instalacije proizvoda

Klasifikuju se u fiksne prefabricirane transformatorne stanice i mobilne prefabricirane transformatorne stanice prema metodu instalacije proizvoda. Obično, prefabricirane transformatorne stanice su fiksno instalirane na temelju, a njihova pozicija instalacije se tokom upotrebe ne menja.

U nekim scenarijima primene, poput rudnika, naftnih polja, gradilišta i privremenih scenarija održavanja snabdijevanja strujom, kako napreduje građevinski rad, lokacija prefabricirane transformatorne stanice često mora da se menja. Postoje dva tipa mobilnih prefabriciranih transformatornih stanica: kočnice prefabricirane transformatorne stanice i nosači prefabriciranih transformatornih stanica. Kada je potrebno premestiti poziciju snabdijevanja strujom prefabricirane transformatorne stanice, može se voziti i prevoziti pomoću prikopne kočnice ili poluprikopne kočnice.

4) Klasifikacija prema materijalu korišćenom za proizvodnju kutije

Prema različitim materijalima korišćenim za proizvodnju kutije prefabriciranih transformatornih stanica, mogu biti kategorizirane u čelik, nemetal, nerđajući čelik, aluminijumsko leguran, bojeni kompozitni čelik, Jinbang ploče, magnezijum-aluminijum-cink galvanizovane ploče, kontejner tip, itd. Glavna karakteristika je da se materijali ili strukturne forme kutija prefabriciranih transformatornih stanica razlikuju, što može zadovoljiti različite potrebe korisnika ili zahteve za upotrebom.

5) Klasifikacija prema izgledu kutije ili stepenu podudaranja sa okruženjem

Prema posebnim zahtevima prefabriciranih transformatornih stanica za okruženje upotrebe oko njih, mogu se dalje podeliti u obične, landskapske (na primer, površina kutije ima stilove koji kopiraju kinesku staru arhitekturu, evropsku arhitekturu, umetničko modeliranje ili lepljenje landskapskih slika), itd. Na primer, prefabricirana transformatorska stanica korišćena u parku ima oblik paviljona ili zgrade koja se slaže sa okruženjem parka, a njegova površina je dekorisana landskapskim slikama ili različitim tonovima boja.

6) Klasifikacija prema različitim metodima instalacije

Prema stupnju kombinacije prefabricirane transformatorne stanice i temelja, može se podeliti u prefabricirane transformatorne stanice na površini, poluočvršćene prefabricirane transformatorne stanice i potpuno očvršćene prefabricirane transformatorne stanice.Prefabricirana transformatorska stanica na površini instalira ceo prefabricirani transformator na vrhu temelja. U poluočvršćenoj prefabriciranoj transformatornoj stanici, soba za visokonaponski prekidnik i soba za niskonaponski prekidnik od tri osnovne funkcionalne sobe su smeštene iznad temelja, dok je soba za transformator smeštena ispod i utopljen u temelj.

Ukupni zapremina proizvoda je relativno mala. Potpuno očvršćena prefabricirana transformatorska stanica znači da se ceo proizvod utapa u temelj, sa samo otvorima za inspekciju ili ventilacijom izloženim iznad temelja. Ovaj tip proizvoda je posebno prikladan za centar grada ili gušće naseljene centralne zone, smanjujući vizualni uticaj proizvoda na okruženje upotrebe i povećavajući sigurnost i pouzdanost rada proizvoda.

7) Klasifikacija prema različitim metodama raspoređivanja funkcionalnih soba

Prema različitim rasporedima ili kombinacijama tri osnovne funkcionalne sobe (soba za visokonaponski, soba za niskonaponski i soba za transformator) prefabriciranih transformatornih stanica, mogu se dalje podeliti u "oko" prefabricirane transformatorne stanice, "igla" prefabricirane transformatorne stanice, "H" prefabricirane transformatorne stanice, "haltera" prefabricirane transformatorne stanice, "polje" prefabricirane transformatorne stanice, itd.

U "oko" prefabriciranoj transformatornoj stanici, soba za transformator je raspoređena u sredini, dok su soba za visokonaponski i soba za niskonaponski raspoređene na obe strane. Njen ukupni raspored je sličan "kineskim znakovima" u kineskom jeziku. U prefabriciranoj transformatornoj stanici u obliku "igu" tri funkcionalne sobe su raspoređene zajedno, slično obliku kineskog znaka "".

U "H" prefabriciranoj transformatornoj stanici, soba za visokonaponski i soba za niskonaponski su izrađene u poseban kutije, a žive delove tečno-ohlađenog transformatora su potpuno zatvoreni i postavljeni između dve kutije. Takođe, na obe strane transformatora koristi se mrežna zaštita za jednostavnu zaštitu i izolaciju, što poboljšava uslove ohlаждения при работе трансформатора. В префабричной подстанции в форме «гантеля» на самом деле есть одна установка высоковольтных выключателей, две установки трансформаторов и низковольтных выключателей.

Соба для высокого напряжения расположена в середине контейнера, а комната трансформатора и комната для низкого напряжения находятся по обе стороны комнаты трансформатора. Общая компоновка каждой функциональной комнаты имеет форму «гантели». В префабричной подстанции в форме «поле», комната для низкого напряжения разделена на два независимых отсека (комната для низковольтных выключателей и комната автоматизации). Вместе с комнатой для высокого напряжения и комнатой трансформатора общая компоновка принимает форму китайского символа «Поле».

8) Классификация по традиционным наименованиям

По основным характеристикам и традиционным наименованиям продукта, префабричные подстанции делятся на европейские подстанции, американские подстанции и китайские подстанции.

Ключевые блоки (высоковольтные выключатели, низковольтные выключатели, трансформаторы) префабричных подстанций являются стандартными продуктами, которые были завершены после типовых испытаний. Первоначально они в основном были введены из европейских стран, таких как Германия, и широко известны как «европейские подстанции». Их основные особенности включают взаимосвязь и сочетание ключевых компонентов, гибкие и изменчивые проектные решения, а также относительно удобное расширение мощности трансформатора. В настоящее время они широко используются как в распределительных сетях, так и в системах генерации электроэнергии.

Согласно стандарту JB/T 10217, американская подстанция - это префабричная подстанция, в которой высоковольтный выключатель установлен в масляном баке трансформатора, а трансформаторное масло используется в качестве изоляционного и гасящего среды, а низковольтный выключатель установлен в низковольтном боксе. Например, 10-киловольтная экономичная префабричная подстанция, представленная американской компанией Cooper, обычно называется «американской подстанцией».

Основная особенность американской подстанции заключается в том, что высоковольтный нагрузочный выключатель, сердечник трансформатора, катушки и т.д. погружены в один и тот же масляный бак, и трансформаторное масло совместно используется в качестве изоляционного, гасящего и охлаждающего средства. Она использует двойную защиту предохранителями, а предохранители имеют двойную чувствительность к току и температуре, что значительно повышает чувствительность и надежность защиты трансформатора. Основные преимущества американских подстанций - малый размер, компактная конструкция, простота и экономичность.

Однако их недостатки также очевидны, такие как быстрое ухудшение диэлектрических свойств трансформаторного масла, простая схема и низкая гибкость. Дуга, возникающая при размыкании и замыкании высоковольтного выключателя, вызывает ухудшение качества трансформаторного масла. В настоящее время 10-киловольтные американские подстанции редко используются в распределительных сетях и классифицируются как продукты, которые выводятся или ограничиваются.

После модификации и модернизации 10-киловольтные американские подстанции повысили уровень напряжения до 35 кВ и применяются в системах генерации новой энергии. Благодаря своей компактной конструкции, небольшому занимаемому пространству и низкой стоимости производства, они все чаще внедряются и используются.

В последние годы префабричные подстанции, используемые в системах новой энергии, таких как ветровая и фотоэлектрическая генерация, в основном служат для передачи электрической энергии с более низкого уровня напряжения со стороны генерации к 35-киловольтной высоковольтной подстанции. Мощность трансформатора становится все больше и больше. Если проектировать в форме «европейской подстанции», трансформатор устанавливается в комнате трансформатора в закрытом виде, и трудно рассеивать тепло, которое он производит, наружу.

Для решения этой проблемы требуются дополнительные устройства, такие как вентиляторы или теплообменники. Поэтому появилась префабричная подстанция с относительно компактной конструкцией и жидкостным трансформатором, установленным снаружи контейнера. Ее основные особенности: трансформатор установлен на открытом воздухе, что решает вопросы безопасности и охлаждения трансформатора, а стоимость производства значительно снижается. По внешнему виду она несколько похожа на «американскую подстанцию», но по сути все еще принадлежит к «европейским подстанциям». Когда она впервые появилась в отрасли и была успешно разработана и применена в реальных инженерных проектах в Китае, ее стали называть «китайской подстанцией» в отрасли. Однако ее характеристики продукта более соответствуют требованиям стандарта GB/T 40823.

3. Trendovi razvoja prefabriciranih transformatornih stanica

Trendovi razvoja prefabriciranih transformatornih stanica se analiziraju sa sledećih različitih aspekata.

1) Diversifikacija materijala i strukturalnih formi za proizvodnju kutija

Najintuitivnija i najvidljivija promena jeste trend diversifikacije strukturalnih formi kutija prefabriciranih transformatornih stanica, što se može videti na osnovu oblika, boje i materijala kutija. Kutija treba da bude u harmoniji sa okruženjem. Na primer, europske transformatorne stanice obično potonu 1 m ispod zemlje, a iznad zemlje se ne vide veći deo nego 1,5 m, što ne utiče na dalju vidljivost niti dovodi do slučajnih ozljeda ako decu penju na igru. Koristeni materijali su nemetalni, ekološki prihvatljivi i lako se koordiniraju sa okruženjem.

Zajednički materijali za spoljnu ljusku uključuju obične čelikove ploče, nerđajuće čelikove ploče, aluminijumske legure i bojene kompozitne ploče. Pre nekoliko godina, počele su se koristiti i staklovlakne cementne ploče, staklovlakne plastike i nemetalni materijali. Takođe, na istoj kutiji može biti nekoliko materijala. Na primer, spoljnja strana obične kutije može biti dekorisana drvenim pločama i glaziranim pločama, a izolacioni materijali poput ekspandiranog polistirena (EPS), staklovlake, azbesta i aluminosilikatne vune koriste se u slojevitoj strukturi.

Po otpornosti na koroziju, vatru i greške, ljuske od nemetalnih materijala su značajno superiornije ljuskama od metalnih materijala. Neke prefabricirane transformatorne stanice koriste Jinbang ploče kao materijal za ljusku, koje se karakterišu ekološkom prihvatljivošću, lakšinom, visokom čvrstoćom, izolacijom zvuka, topline, vode, vatre i korozije.

2) Snažna promocija i primena SF6 gas-insulated switchgear-a

Za prefabricirane transformatorne stanice sa nivoom napona od 40,5 kV i niže, visokonaponska strana obično koristi prekidnike ili opterećene prekidnike izolovane vazduhom ili SF6 gasom, a neki proizvodi koriste opterećene prekidnike sa transformatornim uljem kao sredstvom izolacije.

U 12 kV prefabriciranim transformatornim stanicama, budući da je snaga transformatora obično ispod 1.250 kV·A, sve više se koriste kombinovani električni uređaji (opterećeni prekidnik + prekidnik) ili opterećeni prekidnici. Kada se prekidnik koristi za zaštitu transformatora, vreme potrebno za prekid greške linije je malo duže, što nije korisno za zaštitu ključne opreme (poput transformatora). Međutim, prekidnik u kombinovanim električnim uređajima može prekinuti struju greške unutar 20 ms.