Entwicklung und Anwendung einer miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannstation

Mit der beschleunigten Errichtung intelligenter Städte wird das städtische Verteilnetz ständig modernisiert und umgebaut, und die Bauarbeiten an Projekten zur Verlegung von Freileitungen unterirdisch schreiten zügig voran. Eine große Anzahl von 10 kV-Freileitungen wird durch unterirdische Kabel ersetzt. Angesichts der aktuellen Situation, wie beispielsweise begrenztem Raum auf einigen städtischen Straßen und Mangel an Installationsplätzen für Ausrüstung, werden höhere Anforderungen an das Volumen, die Struktur und die Leistungsfähigkeit traditioneller vorgefertigter Umspannwerke gestellt.

Basierend auf der Anwendung traditioneller vorgefertigter Umspannwerke führt dieser Artikel eine Untersuchung und Analyse durch und entwirft ein miniaturisiertes, intelligentes und landschaftlich angepasstes vorgefertigtes Umspannwerk. Dieses vorgefertigte Umspannwerk zeichnet sich durch eine kompakte Struktur, stabile Leistung, hohe Praktikabilität und hohe Versorgungszuverlässigkeit aus. Es kann den Kernraum in der Stadt intensiv nutzen, Harmonie und Einheit mit der umliegenden Umgebung erzielen und kann weit verbreitet in Modernisierungs- und Umbauprojekten des städtischen Verteilnetzes eingesetzt werden.

1 Äußeres Design des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks

Berücksichtigend Anforderungen wie geografische Lage, Raumausnutzungsrate und Umweltbeschränkungen, verwendet das miniaturisierte intelligente vorgefertigte Umspannwerk eine langgestreckte Ausrichtung. Sein Volumen beträgt nur zwei Drittel des ursprünglichen vorgefertigten Umspannwerks. Die Gehäuse (einschließlich Oberseite, Türen, Boden und interne Metallkomponenten) und ihre Zubehörteile bestehen alle aus Edelstahl 304, während im Inneren SGCC-Hot-Dip-galvanisierte dünne Stahlbleche verwendet werden und wärmedämmende und flammschutzfähige Materialien an den Wänden hinzugefügt werden. Die äußere Oberfläche ist dunkelgrün lackiert, was sowohl ansprechend als auch umweltfreundlich ist.

Das Gehäuse verfügt über ausreichende mechanische Festigkeit und Erdbebenfestigkeit, um sicherzustellen, dass es während des Transports, der Installation und der Hebung nicht leicht beschädigt oder verformt wird. Die Oberseite des Gehäuses hat eine "Heringbone"-Struktur mit einem Neigungswinkel von 5°. Es handelt sich um eine zweischichtige Struktur, die die Wirkung von Sonnenstrahlungsabschirmung hat. Es ist mit einem Rückflussvorbeugenden Dachüberstand und einer Belüftungsleitung ausgestattet, und die Oberseite des Gehäuses ist abnehmbar. Die Türen des Gehäuses sind eine zweischichtige Diebstahlsicherheitsbolzenschlossstruktur und öffnen sich nach außen. Der Boden des Gehäuses ist hot-dip-galvanisiert und nahtlos mit dem Gehäusekörper verbunden. Am Boden befindet sich ein Zugangsschacht, und Dichtungsstreifen sind rund um den Zugangsschacht installiert. Beidseitig sind flammhemmende Kabelverschlusseinrichtungen vorhanden, die eine gute Abdichtung und vollständige Feuchtigkeitsschutzmaßnahmen bieten.

Alle Schweißstellen und Verbindungen externer Komponenten des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks sind gut abgedichtet und haben Eigenschaften wie Wasserdichtigkeit, Staubaufschlussbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und UV-Schutz. Es ist sowohl schön als auch umweltfreundlich. Ohne Wartung kann seine normale Lebensdauer bis zu 40 Jahre betragen.

2 Struktur und Layoutfunktionen des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks
2.1 Struktur-Layout-Design

Die Struktur des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks ist einfach. Das Innere des Gehäuses ist in sechs Hauptfunktionsräume unterteilt: Transformerraum, Hochspannungsraum, Niederspannungsraum, Automatisierungskammer, Kommunikationsraum und Energiemessraum. Diese Funktionsräume sind vollständig voneinander getrennt und in Form eines "Auges" angeordnet.

Dieses Umspannwerk kann auf allen vier Seiten Türen haben, was den Wartungsanforderungen entspricht, Türen auf drei Seiten zu öffnen. Die Schutztüren des Hoch- und Niederspannungsraums sind mit mechanischen Verriegelungen ausgestattet, um sicherzustellen, dass die Tür des Hochspannungsraums nur geöffnet werden kann, wenn die Tür des Niederspannungsraums offen ist. Jeder Funktionsraum verwendet eine unabhängige natürliche Lüftungsmethode, um die Anforderungen aller elektrischen Geräte an Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu erfüllen. Bei Bedarf können Heizgeräte, Entfeuchter und andere Geräte hinzugefügt werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb im Freien sicherzustellen.

Die Hauptkomponenten dieses Umspannwerks umfassen: Ölvollsperrtransformer, 10 kV-Ringmaineinheit niedrigspannungsseitige Kunststoffgehäuse-Luftschalter, die mit SF6-Gas versiegelt sind, standardisierte Notstromversorgung Schnittstellen (auf der niedrigspannungsseitigen Busleiste), sowie Stationsendgeräte, allgemeine Zähler, Konzentratoren, intelligente Konfigurationsterminals, Glasfaser-Kommunikationsterminals usw.

2.2 Design der Funktionsräume

(1) Transformerraum. Der Transformerraum umfasst Transformer, Kühlkörper, Busleiterverkabelung und Sicherheitsschutznetze usw. Der Transformer verwendet einen Energieeffizienzklasse 1 voll verschweißten Siliciumstahl- oder amorphen Legierung-Ölvollsperrverteilertransformator. Auf der Hochspannungsseite sind vorgefertigte steckbare Kabelköpfe montiert, und die Niederspannungsdurchführungen sind mit Isolierschutzschläuchen ausgestattet. Die Kapazität kann auf 500 kV·A oder 630 kV·A gewählt werden.

(2) Hochspannungsraum. Der Hochspannungsraum besteht aus 10 kV-Ringmaineinheiten, die in Eingangs- und Ausgangs-Einheitenschränke unterteilt sind, und beide sind unabhängig voneinander abgeschlossen. Die Ringmaineinheit ist eine vollständig isolierte und gemeinsame Box-Struktur, die SF6-Gas zur Bogenlöschung und -Isolation verwendet. Die Gasbox ist mit einer Gasdruckanzeigeeinrichtung mit normalerweise offener Alarmhilfskontakt ausgestattet. Die Gasbox und der Schrankkörper bestehen jeweils aus Edelstahl 304 und hochwertigem Aluminium-Zink-Plattenmaterial, und die Oberfläche des Schrankkörpers ist mit einer statischen Epoxidharz-Beschichtungsverfahren versehen.

Der Einheitsschrank ist von oben nach unten in einen Sekundärraum, einen Lastschalterschrank und einen Kabelraum unterteilt. Der Sekundärkasten befindet sich in der oberen Teil des Einheitsschranks. Die Frontplatte des Kastens ist mit Ein- und Ausschaltknöpfen, Ein- und Ausgangsanzeigen, Fern/Ort-Umschaltknöpfen, sowie Fehler- und Spannungsanzeigen usw. ausgestattet. Die Lastschaltereinheit des Einheitsschranks wählt in der Regel eine kombinierte Elektroinstallation aus Lastschalter und strömungsbeschränkendem Sicherungselement. Davon kann der Lastschalter die festgelegte Laststromstärke und den Übergangsstrom bei Fehlern auf der Niederspannungsseite des Transformers trennen; das strömungsbeschränkende Sicherungselement kann verschiedene Phasen-zu-Phasen-, Erdschlusskurzschlussspannungen und Überlastströme abschalten.

Der Lastschalter kann durch elektrisches und manuelles Bedienen Öffnen, Schließen und Erdung erreichen, und die Bedienung ist einfach und bequem. Die Lastschaltereinheit und die Erdungsschaltereinheit haben eine zuverlässige "Fünf-Vorsichtsmaßnahmen"-Verriegelungsfunktion. Der Kabelraum des Einheitsschranks nutzt hauptsächlich den Hochspannungskabelgraben für Eingänge und Ausgänge unterirdisch. Die Positionen der Eingangs- und Ausgangskabelanschlüsse sind für die Montage geeignet, und ein offener Hochspannungstromwandler ist installiert.

(3) Niederspannungsraum. Der Niederspannungsraum besteht hauptsächlich aus Niederspannungsschaltgeräten, Notstromversorgungskammern und Zugangsschächten usw. Die Farbe des Niederspannungsschrankkörpers ist identisch mit der des Hochspannungsschranks, RAL7035. Auf der Frontplatte des Niederspannungsschranks ist ein steckbarer digitaler Multifunktionszähler installiert, der Spannung und Strom anzeigen kann und RS-485-Kommunikation unterstützt. Die Niederspannungs-Ausgänge verwenden 4-fache null-flugbogen-freie Kunststoffgehäuse-Luftschalter. Die Niederspannungsseite verfügt über eine Neutralleitung und eine Erdleitung, die beide am Boden des Niederspannungsschranks angeordnet sind.

Die Niederspannungsbusleiter des Transformers werden vom Notstromversorgungskammer in die Niederspannungsschaltgeräte eingeführt und sind abnehmbar konzipiert. Nach der Verkabelungsumstellung wird daraus eine Niederspannungs-Speiseleitung zum Ausgangskabel am Boden des Niederspannungsschranks. Die Anzahl der Ausgangskreise kann nach Bedarf flexibel gestaltet werden. Die Notstromversorgungskammer sollte mit Bedienungsanweisungen versehen sein, und der Zugangsschacht erleichtert die manuelle Wartung.

(4) Automatisierungskammer. Das vorgefertigte Umspannwerk ist mit einer unabhängigen Automatisierungskammer ausgestattet, in der das Verteilautomatisierungsendgerät (DTU) den Betriebszustand der 10 kV-Eingangs- und Ausgangsleitungen überwacht und steuert, um Funktionen wie Fernmessung, Fernmelden, Fernsteuerung und Fernregulierung zu erzielen. Das DTU bevorzugt Netzstrom für die Stromversorgung. Wenn keine Bedingungen für Netzstromversorgung vorliegen, verwendet es einen Spannungswandler für die Stromversorgung und verwendet einen unterstützenden Speicherakkumulator als Reservestromquelle.

Es verfügt über ein integriertes Strommanagementmodul, das die Ausgabe von AC220V und DC24V erfüllen kann und eine AC220V-Wechselstromquelle für den elektrischen Betriebsmechanismus der Ringmaineinheit bereitstellt.Das DTU unterstützt mehrere Kommunikationsmethoden und -protokolle und verfügt über 2 RS-485-Serienschnittstellen und 2 Netzwerkschnittstellen (RJ45), die Protokolle wie IEC101, IEC104 und CDT kompatibel sind; das DTU ist als Ganzes in einem Wandmontageschrank installiert, verwendet einen Flugsicherungsstecker, was die Ortsabnahme, Installation und Wartung vor Ort erleichtert und den Raumanforderungen eines Satzes von Endgeräten und Reservestromquellen entspricht.

(5) Kommunikationsraum. Das vorgefertigte Umspannwerk ist mit einem unabhängigen Kommunikationsraum ausgestattet, der intern mit einem Lichtwellenleiterverteilrahmen, einem industriellen Ethernet-Switch und einem Lichtwellenleiter-Netzwerkterminal ausgestattet ist und die Verkabelungsschlitze und Eingangs- und Ausgangslöcher für Kommunikationslichtwellenleiter, Pigtails und Stromkabel reserviert. Dieser Raum kann die Überwachungsdaten innerhalb des vorgefertigten Umspannwerks an die intelligente Überwachungsplattform übertragen, um seinen Betriebszustand und Daten in Echtzeit zu überwachen.

(6) Energiemessraum. Der Energiemessraum befindet sich über dem Kommunikationsraum. Er ist mit Installationspositionen für intelligente Verteiltransformer-Terminals, Konzentratoren und allgemeine Zähler des Transformergebiets, sowie Installationsräumen für Terminalblöcke und kombinierte Verkabelungsprüfboxen ausgestattet, und reserviert die Verkabelungsschlitze und Eingangs- und Ausgangslöcher für Abtastsignale und Kommunikationskabel.

Dieser Raum ist dafür verantwortlich, verschiedene Betriebsparameter des vorgefertigten Umspannwerks zu messen und ist der Kommunikationsknotenpunkt für Energiemessdaten. Einerseits sammelt und speichert er die Energiemessdaten, die in Form von serieller Kommunikation von digitalen Energiemessern ausgegeben werden. Andererseits überträgt er die gesammelten Energiemessdaten an den Obercomputer des Hauptservers des Energiemessautomatisierungssystems über den Upstream-Kanal.

2.3 Design der Erdungseinrichtung

Der Erdungselektrode des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks verwendet galvanisierte Eisenröhre. Der Erdungsbus der Kanalstahlbasis ist mit 2 kupfernen Erdungsanschlüssen ausgestattet, die mit dem Erdungselektrode verbunden sind, mit einem elektrischen Kontaktquerschnitt von 160 mm² und deutlichen Kennzeichnungen. Die Niederspannungsneutralleitung des Transformers ist direkt mit dem Erdkörper verbunden. Dabei sind der Transformerraum, der Hochspannungsraum und der Niederspannungsraum miteinander über Erdungsanschlüsse verbunden.

Die sekundären Sicherheitserdungsleitungen der elektrischen Ausrüstung werden mit transparenten Schutzschläuchen versehen, und die Kupferleitungen haben einen Querschnitt von 4 mm²; alle Schranktüren, metallenen Teile und metallenen Rahmen sind kontinuierlich und zuverlässig mit dem Boden verbunden. Das externe Erdungsnetz der Fundamentplatte wird von der Innenseite der Fundamentplatte in den Boden des vorgefertigten Umspannwerks eingeführt und mit den Erdungsanschlüssen in der Station verbunden, wobei ein direktes Begraben verwendet wird. Der Erdwiderstand des vorgefertigten Umspannwerks beträgt nicht mehr als 1 Ω.

3 Technische Anforderungen des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks
3.1 Elektrisches Prinzip

Das miniaturisierte intelligente vorgefertigte Umspannwerk ist für das Verteilnetz eines 10/0,4 kV-Dreiphasen-Wechselstromsystems geeignet. Es integriert Hochspannungsschaltgeräte, Verteiltransformer und Niederspannungsverteilgeräte nach einem bestimmten Verkabelungsschema. Die Hochspannungsseite verwendet eine Einbusverkabelung mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Auf der Transformateurseite ist ein Sicherungsschutz vorgesehen. Nach der Transformation durch den Verteiltransformer kann die Niederspannungsbusleiter nach Bedarf mit 4 Niederspannungs-Speiseleitungen entworfen werden, und kein Niederspannungshauptschalter ist vorgesehen.

3.2 Anwendbare Orte

Dieses miniaturisierte intelligente vorgefertigte Umspannwerk ist weit verbreitet an Outdoor-Orten wie der Modernisierung des städtischen Verteilnetzes, Wohngebieten, Fabriken und Unternehmen, kommerziellen Bürogebäuden, Geschäftsvierteln, öffentlichen Grünflächen, kulturellen Schutzgebieten und Parks anwendbar.

3.3 Umweltbedingungen für die Nutzung

• Höhe: nicht mehr als 1.000 m.

•  Umgebungstemperatur: das Tiefste ist -25 °C, das Höchste ist 45 °C; die höchste Jahresmitteltemperatur beträgt nicht mehr als 20 °C, und die höchste Monatsmitteltemperatur beträgt nicht mehr als 35 °C.

• Relative Luftfeuchtigkeit: bei 20 °C beträgt die höchste monatliche Durchschnittsfeuchtigkeit nicht mehr als 90%, und die höchste tägliche Durchschnittsfeuchtigkeit beträgt nicht mehr als 95%.

• Erdbebensicherheit: die horizontale Bodenbeschleunigung beträgt nicht mehr als 0,2 g (g steht für die Schwerebeschleunigung), und die vertikale Bodenbeschleunigung beträgt 0,1 g.

• Sonneneinstrahlung: bei einer Windgeschwindigkeit von 0,5 m·s⁻¹ beträgt die Sonnenstrahlungsintensität nicht mehr als 0,1 W·cm⁻².

• Maximale Eisüberzugsdicke: 10 mm.

•  Verschmutzungsgrad: nicht mehr als Grad III

• Bodenneigung: nicht größer als 3°.

• Installationsort: Outdoor, ohne Explosionsgefahr, Brände, chemische Korrosion oder starke Vibrationen.

Wenn es den oben genannten normalen Umweltbedingungen für die Nutzung nicht entspricht, muss dies zwischen dem Benutzer und dem Hersteller verhandelt und gelöst werden.

4 Prototyp-Abnahme des miniaturisierten intelligenten vorgefertigten Umspannwerks

Das miniaturisierte intelligente vorgefertigte Umspannwerk wurde von Jiangsu Qihou Intelligent Electrical Equipment Co., Ltd. prototypisiert. Das Qualitätsprüfzentrum für Hochspannungs-Übertragungs- und Verteilungsausrüstung der Maschinenindustrie führte Tests auf den Hauptkomponenten gemäß relevanten nationalen und branchenbezogenen Standards durch, und die Testergebnisse waren qualifiziert. Die State Grid Shanghai Electric Power Company führte eine umfassende Abnahme der Größe, des Aussehens und der Leistung dieses Prototyps durch, und die Abnahmeergebnisse waren qualifiziert.

5 Schlussfolgerung

Das in diesem Artikel entwickelte miniaturisierte intelligente vorgefertigte Umspannwerk integriert die Vorteile bestehender vorgefertigter Umspannwerke im In- und Ausland. Es hat die Vorteile einer einfachen Struktur, geringer Raumbedarfs, Sicherheit und Zuverlässigkeit, Schönheit und Umweltfreundlichkeit, Befreiung von Inspektion und Wartung, und geringe Wartungsanforderungen. Es hat wichtige Förder- und Anwendungswerte in der Errichtung und Modernisierung des städtischen Verteilnetzes.