Desarrollo y Aplicación de un Subestación Prefabricada Inteligente Miniaturizada
Con la aceleración de la construcción de ciudades inteligentes, la red de distribución urbana se está actualizando y renovando constantemente, y los proyectos de soterramiento de líneas aéreas también están progresando de manera estable. Una gran cantidad de líneas aéreas de 10 kV están siendo reemplazadas por cables subterráneos. Considerando la situación actual, como el espacio limitado en algunas calles urbanas y la escasez de ubicaciones para la instalación de equipos, se imponen requisitos más altos en cuanto al volumen, estructura y rendimiento de las subestaciones prefabricadas tradicionales.
Basado en la aplicación de las subestaciones prefabricadas tradicionales, este artículo realiza una investigación y análisis, y diseña una subestación prefabricada miniaturizada, inteligente y paisajística. Esta subestación prefabricada tiene una estructura compacta, un rendimiento estable, una fuerte practicidad y una alta confiabilidad de suministro de energía. Puede hacer uso intensivo del espacio central urbano, lograr armonía y unidad con el entorno circundante, y puede aplicarse ampliamente a los proyectos de actualización y renovación de las redes de distribución urbana.
1 Diseño de Apariencia de la Subestación Prefabricada Miniaturizada e Inteligente
Teniendo en cuenta los requisitos como la ubicación geográfica, la tasa de utilización del espacio y las limitaciones ambientales, la subestación prefabricada miniaturizada e inteligente adopta una disposición larga y estrecha. Su volumen es solo dos tercios del de la subestación prefabricada original. La carcasa (incluyendo la parte superior, las puertas, la base y los componentes metálicos internos) y sus accesorios están hechos de acero inoxidable 304, mientras que el interior utiliza placas de acero fino galvanizado en caliente SGCC, y se agregan materiales aislantes térmicos y retardantes de llama a las paredes laterales. La superficie exterior está pintada de verde oscuro, lo que es tanto estéticamente agradable como ecológico.
La carcasa tiene suficiente resistencia mecánica y rendimiento sísmico para garantizar que no se dañe ni deforme fácilmente durante el transporte, la instalación y el izado. La parte superior de la carcasa adopta una estructura de "diamante" con una pendiente de 5°. Es una estructura de doble capa que tiene el efecto de aislar la radiación solar. Está equipada con un alero antirretorno y un conducto de ventilación, y la parte superior de la carcasa es desmontable. Las puertas de la carcasa son de una estructura de perno antirrobo de doble capa y se abren hacia afuera. La base de la carcasa está galvanizada en caliente y está conectada sin costuras al cuerpo de la carcasa. Hay un pozo de hombre en la base, y se instalan tiras de sellado alrededor del pozo. Se proporcionan dispositivos de sellado de cables ignífugos en ambos lados, con un buen sellado y medidas completas de protección contra la humedad.
Todas las partes soldadas y las uniones de los componentes externos de la subestación prefabricada miniaturizada e inteligente están bien selladas, y tiene características como resistencia al agua, al polvo, a la corrosión y a la radiación ultravioleta. Es tanto hermoso como ecológico. Sin necesidad de mantenimiento, su vida útil normal puede alcanzar hasta 40 años.
2 Funciones de Estructura y Distribución de la Subestación Prefabricada Miniaturizada e Inteligente
2.1 Diseño de Distribución Estructural
La estructura de la subestación prefabricada miniaturizada e inteligente es simple. El interior de la carcasa se divide en seis salas funcionales principales: sala de transformadores, sala de alta tensión, sala de baja tensión, sala de automatización, sala de comunicaciones y sala de recopilación de consumo de energía. Estas salas funcionales están completamente separadas entre sí y se disponen en forma de "ojo".
Esta subestación puede tener puertas en los cuatro lados, cumpliendo con los requisitos de mantenimiento de abrir puertas en tres lados. Las puertas protectoras de la sala de alta tensión y la sala de baja tensión están equipadas con interbloqueos mecánicos para garantizar que la puerta de la sala de alta tensión solo se pueda abrir cuando la puerta de la sala de baja tensión esté abierta. Cada sala funcional adopta un método de ventilación natural independiente para cumplir con los requisitos de temperatura y humedad de todo el equipo eléctrico. Cuando sea necesario, se pueden agregar calefactores, deshumidificadores y otros equipos para garantizar su operación segura y confiable al aire libre.
Los componentes principales de esta subestación incluyen: transformadores de aceite, unidades de anillo de 10 kV con interruptores de aire de carcasa plástica de baja tensión (en el lado de baja tensión) sellados con gas SF6, interfaces rápidas de alimentación de emergencia estandarizadas (en el lado del bus de baja tensión), así como unidades terminales de estación, medidores generales, concentradores, terminales de configuración inteligente, terminales de comunicación por fibra óptica, etc.
2.2 Diseño de Salas Funcionales
(1) Sala de Transformadores. La sala de transformadores incluye transformadores, radiadores, conexiones de barra colectora y redes de protección, etc. El transformador utiliza un transformador de distribución de aceite totalmente sellado de primer nivel de eficiencia energética, con láminas de silicio o aleación amorfa. El lado de alta tensión está equipado con cabezas de cable prefabricadas enchufables, y los bornes de baja tensión están equipados con mangas de protección aislante. La capacidad puede seleccionarse como 500 kV·A o 630 kV·A.
(2) Sala de Alta Tensión. La sala de alta tensión está compuesta por unidades de anillo de 10 kV, que se dividen en armarios de entrada y salida, y los dos están cerrados de forma independiente. La unidad de anillo es de estructura totalmente aislada y de caja común, utilizando gas SF6 para el apagado de arcos y aislamiento. La caja de gas está equipada con un dispositivo de visualización de presión de gas con un nodo auxiliar de alarma normalmente abierto. La caja de gas y el cuerpo del gabinete están hechos de acero inoxidable 304 y material de aluminio recubierto de zinc de alta calidad, respectivamente, y la superficie del cuerpo del gabinete adopta un proceso de pulverización electrostática de epoxi.
El gabinete de la unidad se divide en una sala secundaria, una sala de interruptor de carga y una sala de cables, de arriba a abajo. La sala secundaria se encuentra en la parte superior del gabinete de la unidad. El panel de la sala está equipado con interruptores de encendido y apagado, indicadores de encendido y apagado, interruptores de transferencia remota/local, así como indicadores de falla y de corriente. La unidad de interruptor de carga del gabinete de la unidad generalmente selecciona un aparato combinado de interruptor de carga y fusible limitador de corriente. Entre ellos, el interruptor de carga puede cortar la corriente de carga especificada y la corriente de transferencia cuando ocurre un fallo en el lado de baja tensión del transformador; el fusible limitador de corriente puede cortar diversas corrientes de cortocircuito entre fases, a tierra y de sobrecarga.
El interruptor de carga puede lograr la apertura, cierre y puesta a tierra mediante operaciones eléctricas y manuales, y la operación es simple y conveniente. La unidad de interruptor de carga y la unidad de interruptor de puesta a tierra tienen una función de interbloqueo "cinco-prevenidos" confiable. La sala de cables del gabinete de la unidad utiliza principalmente el zanja de cables de alta tensión para la entrada y salida de cables desde el subsuelo. Las posiciones de los terminales de entrada y salida de cables son convenientes para la instalación, y se instala un transformador de corriente de alta tensión de tipo abierto.
(3) Sala de Baja Tensión. La sala de baja tensión está compuesta principalmente por equipos de conmutación de baja tensión, compartimentos de alimentación de emergencia y pozos de hombre, etc. El color del cuerpo del gabinete de baja tensión es el mismo que el del gabinete de alta tensión, utilizando RAL7035. En el panel del gabinete de baja tensión se instala un medidor multifuncional digital enchufable, que puede mostrar voltaje y corriente y admite la comunicación RS-485. Las líneas de salida de baja tensión utilizan interruptores de aire de carcasa plástica de 4 circuitos sin arco volante. El lado de baja tensión está provisto de una línea neutra y una línea a tierra, ambas dispuestas en la base del gabinete de baja tensión.
La barra colectora de baja tensión del transformador se introduce en el equipo de conmutación de baja tensión desde el compartimento de alimentación de emergencia, diseñada para ser desmontable. Después de la conversión de la conexión, se convierte en un alimentador de baja tensión al cable de salida en la base del gabinete de baja tensión. El número de circuitos de salida se puede diseñar de manera flexible según los requisitos. El compartimento de alimentación de emergencia debe ir acompañado de instrucciones de operación, y el pozo de hombre es conveniente para el mantenimiento manual.
(4) Sala de Automatización. La subestación prefabricada está equipada con una sala de automatización independiente, en la cual el terminal de automatización de distribución (DTU) monitorea y controla las condiciones de operación de los circuitos de entrada y salida de 10 kV, logrando funciones como telemetría, teleseñalización, telecontrol y teleajuste. El DTU utiliza preferentemente la alimentación de la red principal. Cuando no hay condiciones para la alimentación de la red principal, utiliza un transformador de potencial para la alimentación y usa una batería de respaldo como fuente de alimentación de respaldo.
Tiene un módulo de gestión de energía incorporado, que puede satisfacer la salida de AC220V y DC24V y proporciona una fuente de alimentación de corriente alterna AC220V para el mecanismo de operación eléctrica de la unidad de anillo. El DTU admite múltiples métodos y protocolos de comunicación, y tiene 2 interfaces serie RS-485 y 2 interfaces de red (RJ45), compatibles con protocolos como IEC101, IEC104 y CDT; el DTU se instala como un conjunto en un gabinete empotrado, utilizando un conector de aviación, que es conveniente para la desinstalación, instalación y mantenimiento en el sitio, y puede satisfacer los requisitos de disposición espacial de un conjunto de terminales y fuentes de alimentación de respaldo.
(5) Sala de Comunicaciones. La subestación prefabricada está equipada con una sala de comunicaciones independiente, que está configurada internamente con un armario de distribución óptica, un switch Ethernet industrial y una unidad de red óptica, y reserva ranuras de cableado y orificios de entrada y salida para cables de comunicación, pigtails y cables de alimentación. Esta sala puede transmitir los datos de monitoreo dentro de la subestación prefabricada a la plataforma de monitoreo inteligente, para monitorear su estado y datos de operación en tiempo real.
(6) Sala de Recopilación de Consumo de Energía. La sala de recopilación de consumo de energía está ubicada sobre la sala de comunicaciones. Está equipada con posiciones de instalación para terminales de transformador de distribución inteligente, concentradores y medidores generales del área de transformador, así como espacios de instalación para bloques terminales y cajas de prueba de cableado combinado, y reserva ranuras de cableado y orificios de entrada y salida para señales de muestreo y cables de comunicación.
Esta sala se encarga de medir varios parámetros de operación de la subestación prefabricada y es el centro de comunicaciones de los datos de energía. Por un lado, recopila y almacena los datos de energía emitidos en forma de comunicación en serie por los medidores digitales de energía. Por otro lado, transmite los datos de energía recopilados a la computadora principal de la estación maestra del sistema de automatización de facturación de energía a través del canal ascendente.
2.3 Diseño del Dispositivo de Puesta a Tierra
El electrodos de puesta a tierra de la subestación prefabricada miniaturizada e inteligente utiliza tubos de hierro galvanizados. La barra colectora de puesta a tierra del bastidor de acanalado está provista de 2 terminales de puesta a tierra de cobre conectados al electrodo de puesta a tierra, con un área de contacto eléctrico de 160 mm² y signos obvios. La línea neutral de baja tensión del transformador se conecta directamente al cuerpo de puesta a tierra. Entre ellos, la sala de transformadores, la sala de alta tensión y la sala de baja tensión están conectadas entre sí usando terminales de puesta a tierra.
Los cables de puesta a tierra de seguridad secundaria del equipo eléctrico se añaden con fundas protectoras transparentes, y los cables de cobre tienen un área de sección transversal de 4 mm²; todas las puertas de gabinetes, partes metálicas y marcos metálicos están conectados continuamente y de manera confiable a tierra. La red de puesta a tierra externa de la base se introduce en la base de la subestación prefabricada desde el lado interno de la base y se conecta a los terminales de puesta a tierra en la estación, utilizando un método de enterramiento directo. La resistencia de puesta a tierra de la subestación prefabricada no es mayor de 1 Ω.
3 Requisitos Técnicos de la Subestación Prefabricada Miniaturizada e Inteligente
3.1 Principio Eléctrico
La subestación prefabricada miniaturizada e inteligente es adecuada para la red de distribución de un sistema de CA trifásico de 10/0.4 kV. Integra equipos de conmutación de alta tensión, transformadores de distribución y dispositivos de distribución de baja tensión según un esquema de cableado específico. El lado de alta tensión adopta un cableado de barras colectoras simples, con dos líneas de entrada y una línea de salida. Se establece una protección de fusible en el lado del transformador. Tras ser transformada por el transformador de distribución, la barra colectora de baja tensión puede diseñarse con 4 líneas de alimentación de baja tensión según las necesidades, y no se establece un interruptor principal de baja tensión.
3.2 Lugares Aplicables
Esta subestación prefabricada miniaturizada e inteligente es ampliamente aplicable a lugares exteriores como la renovación de la red de distribución urbana, comunidades residenciales, fábricas y empresas, edificios de oficinas comerciales, distritos comerciales, áreas verdes públicas, áreas de protección cultural y parques.
3.3 Condiciones Ambientales de Uso
Altitud: no excede 1,000 m.
Temperatura ambiente: la más baja es -25 °C, la más alta es 45 °C; la temperatura media anual más alta no excede 20 °C, y la temperatura media mensual más alta no excede 35 °C.
Humedad relativa: a 20 °C, la media mensual más alta no excede 90%, y la media diaria más alta no excede 95%.
Resistencia sísmica: la aceleración horizontal del suelo no excede 0.2 g (g representa la aceleración debida a la gravedad), y la aceleración vertical del suelo es 0.1 g.
Intensidad de la luz solar: cuando la velocidad del viento es 0.5 m·s⁻¹, la intensidad de radiación solar no excede 0.1 W·cm⁻².
Espesor máximo de revestimiento de hielo: 10 mm.
Nivel de contaminación: no excede el nivel III
Inclinación del suelo: no mayor de 3°.
Ubicación de instalación: exterior, sin peligros de explosión, incendios, corrosión química o vibraciones severas.
Si no cumple con las condiciones normales de uso ambiental anteriores, es necesario que se negocie y resuelva entre el usuario y el fabricante.
4 Aceptación del Prototipo de la Subestación Prefabricada Miniaturizada e Inteligente
La subestación prefabricada miniaturizada e inteligente fue prototipada por Jiangsu Qihou Intelligent Electrical Equipment Co., Ltd. El Centro de Inspección de Calidad de Equipos de Transmisión y Distribución de Alta Tensión de la Industria Mecánica realizó pruebas en los componentes principales según los estándares nacionales e industriales relevantes, y los resultados de las pruebas fueron satisfactorios. La Compañía de Electricidad de Shanghai de la Red Estatal realizó una aceptación integral del tamaño, apariencia y rendimiento de este prototipo, y los resultados de la aceptación fueron satisfactorios.
5 Conclusión
La subestación prefabricada miniaturizada e inteligente desarrollada en este artículo integra las ventajas de las subestaciones prefabricadas existentes en el país y en el extranjero. Tiene las ventajas de una estructura simple, un pequeño huella, seguridad y confiabilidad, belleza y protección ambiental, exención de inspección y mantenimiento, y bajos requisitos de mantenimiento. Tiene un valor promocional y de aplicación importante en la construcción y renovación de las redes de distribución urbana.
