توسعه و کاربرد یک زیرстанسیون هوشمند پیش ساخته مینیاتوری

با تسریع در ساخت شهرهای هوشمند، شبکه توزیع شهری به طور مداوم به روز رسانی و بازسازی می شود و پروژه های زیرزمینی کردن خطوط هوایی نیز به طور پایدار پیشرفت می کنند. تعداد زیادی از خطوط هوایی ۱۰ کیلوولت با کابل های زیرزمینی جایگزین می شوند. با توجه به شرایط فعلی مانند فضای محدود برخی از خیابان های شهری و کمبود محل نصب تجهیزات، نیازهای بالاتری بر حجم، ساختار و عملکرد زیرстанیون های پیش ساخته سنتی وجود دارد.

بر اساس کاربرد زیرستانیون های پیش ساخته سنتی، این مقاله تحقیق و تحلیل انجام داده و یک زیرستانیون پیش ساخته کوچک، هوشمند و منظری طراحی کرده است. این زیرستانیون پیش ساخته دارای ساختار فشرده، عملکرد پایدار، قابلیت عملی بالا و قابلیت اطمینان تأمین برق بالاست. آن می تواند از فضای مرکزی شهری به طور متمرکز استفاده کند، هماهنگی و یکپارچگی با محیط اطراف را تحقق بخشیده و می تواند به طور گسترده در پروژه های به روز رسانی و بازسازی شبکه توزیع شهری استفاده شود.

۱ طراحی ظاهری زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند

با توجه به نیازهایی مانند موقعیت جغرافیایی، نرخ استفاده از فضا و محدودیت های محیطی، زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند از یک طرح بلند و باریک استفاده می کند. حجم آن فقط دو سوم حجم زیرستانیون پیش ساخته اصلی است. پوشش (از جمله بالا، درها، پایین و قطعات فلزی داخلی) و ضمائم آن همه از فولاد ضدزنگ ۳۰۴ ساخته شده اند، در حالی که داخل از صفحات فولاد لاغر SGCC روغن داده شده است و مواد عایق حرارتی و مقاوم در برابر آتش به دیوارهای اطراف اضافه شده است. سطح بیرونی آن به رنگ سبز تیره نقاشی شده که هم زیبا و هم محیط زیستی است.

پوشش دارای مقاومت مکانیکی و عملکرد لرزه خیز کافی است تا در حمل، نصب و بلند کردن آسیب نپذیرد یا تغییر شکل نیابد. بالای پوشش دارای ساختار "رنگین کمان" با شیب ۵ درجه است. این یک ساختار دو لایه است که اثر عایق بندی تابش خورشید را دارد. دارای دامنه ضد بازگشت و مجرای تهویه است و بالای پوشش قابل جدا شدن است. درهای پوشش دارای ساختار بولت دو لایه ضد دزدی هستند و به بیرون باز می شوند. پایین پوشش روغن داده شده و بدون وصله به بدنه پوشش متصل شده است. یک دهانه در پایین وجود دارد و نوارهای بسته گذاری حول دهانه نصب شده اند. دستگاه های بسته گذاری کابل مقاوم در برابر آتش در دو طرف قرار داده شده اند که دارای بسته گذاری خوب و اقدامات کامل ضد رطوبت هستند.

تمام نقاط جوشکاری و اتصالات اجزای بیرونی زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند به خوبی بسته شده اند و دارای ویژگی های مقاومت در برابر آب، گرد و غبار، فرسایش و محافظت در برابر تشعشعات ماوراء بنفش هستند. هم زیبا و هم محیط زیستی است. بدون نیاز به نگهداری، عمر معمول آن می تواند تا ۴۰ سال برسد.

۲ ساختار و وظایف طرح زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند
۲.۱ طراحی طرح ساختاری

ساختار زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند ساده است. داخل پوشش به شش اتاق عملکردی اصلی تقسیم شده است: اتاق ترانسفورماتور، اتاق ولتاژ بالا، اتاق ولتاژ پایین، اتاق خودکار، اتاق ارتباطات و اتاق جمع آوری مصرف برق. این اتاق های عملکردی به طور کامل از یکدیگر جدا شده و به شکل "چشم" تنظیم شده اند.

این زیرستانیون می تواند در هر چهار طرف دارای در باشد و نیازهای نگهداری باز کردن در سه طرف را برآورده می کند. درهای محافظ اتاق ولتاژ بالا و اتاق ولتاژ پایین با قفل مکانیکی مجهز شده اند تا اطمینان حاصل شود که در اتاق ولتاژ بالا فقط وقتی که در اتاق ولتاژ پایین باز است باز می شود. هر اتاق عملکردی از یک روش تهویه طبیعی مستقل استفاده می کند تا نیازهای تمام تجهیزات الکتریکی به دمای هوایی و رطوبت را برآورده کند. در صورت نیاز، گرمکن ها، خشک کن ها و تجهیزات دیگر می توانند اضافه شوند تا عملکرد ایمن و قابل اعتماد آن در بیرون از ساختمان تضمین شود.

اجزای اصلی این زیرستانیون شامل: ترانسفورماتورهای روغنی، واحد اصلی حلقه ۱۰ کیلوولت کلید هوا پلاستیکی پلاستیکی (در سمت ولتاژ پایین) با SF6 گاز بسته شده، رابط های تغذیه اضطراری استاندارد (در سمت شین ولتاژ پایین)، به همراه واحد های انتهایی ایستگاه، متر های عمومی، متمرکز کننده ها، ترمینال های پیکربندی هوشمند، ترمینال های ارتباطات فیبر نوری و غیره می باشد.

۲.۲ طراحی اتاق های عملکردی

(۱) اتاق ترانسفورماتور. اتاق ترانسفورماتور شامل ترانسفورماتورها، رادیاتورها، سیم کشی شین و شبکه های حفاظتی است. ترانسفورماتور از یک ترانسفورماتور توزیع روغنی کاملاً بسته شده با صفحه فولادی سیلیکونی یا آلیاژ بی شکل استفاده می کند. سمت ولتاژ بالا با سر کابل پیش ساخته قابل جابجایی مجهز شده است و سر شین ولتاژ پایین با محافظ عایقی مجهز شده است. ظرفیت آن می تواند ۵۰۰ کیلوولت-آمپر یا ۶۳۰ کیلوولت-آمپر انتخاب شود.

(۲) اتاق ولتاژ بالا. اتاق ولتاژ بالا از واحدهای اصلی حلقه ۱۰ کیلوولت تشکیل شده است که به دو واحدهای کابین ورودی و خروجی تقسیم شده اند و هر دو به طور مستقل بسته شده اند. واحد حلقه از یک ساختار کاملاً عایق و جعبه مشترک استفاده می کند و از گاز SF6 برای خاموش کردن قوس الکتریکی و عایق بندی استفاده می کند. جعبه گاز با دستگاه نمایش فشار گاز مجهز شده است که گره کمکی هشدار باز است. جعبه گاز و بدنه کابین به ترتیب از فولاد ضدزنگ ۳۰۴ و مواد آلیاژ آلومینیوم پوشیده شده است و سطح بدنه کابین با فرآیند اسپری اپوکسی الکترواستاتیک پوشش داده شده است.

کابین واحد از بالا به پایین به یک اتاق ثانویه، یک اتاق کلید بار و یک اتاق کابل تقسیم شده است. اتاق ثانویه در بالای کابین واحد قرار دارد. صفحه اتاق با کلید های روشن و خاموش، نشانگرهای روشن و خاموش، کلیدهای انتقال بین دور و نزدیک، و همچنین نشانگرهای خطا و زنده بودن مجهز شده است. واحد کلید بار کابین معمولاً یک دستگاه الکتریکی ترکیبی از کلید بار و فیوز محدود کننده جریان انتخاب می کند. از جمله، کلید بار می تواند جریان بار متعارف و جریان انتقال را وقتی که خطا در سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور رخ می دهد ببندد؛ فیوز محدود کننده جریان می تواند جریان های کوتاه مداری بین فاز، زمین و جریان بیش از حد را ببندد.

کلید بار می تواند با عملیات الکتریکی و دستی باز، بسته و زمین شود و عملیات آن ساده و راحت است. واحد کلید بار و واحد کلید زمین دارای قابلیت قفل "پنج پیشگیری" معتبری هستند. اتاق کابل کابین از کانال کابل ولتاژ بالا برای ورود و خروج از زیرزمین استفاده می کند. مکان های سر کابل ورودی و خروجی برای نصب آسان هستند و یک ترانسفورماتور جریان باز قابل نصب است.

(۳) اتاق ولتاژ پایین. اتاق ولتاژ پایین عمدتاً از تجهیزات کلید هوا پلاستیکی ولتاژ پایین، اتاق های تغذیه اضطراری و دهانه ها تشکیل شده است. رنگ بدنه کابین ولتاژ پایین همانند رنگ کابین ولتاژ بالا است و از RAL7035 استفاده می کند. یک متر چند منظوره دیجیتال قابل جابجایی روی صفحه کابین ولتاژ پایین نصب شده است که می تواند ولتاژ و جریان را نمایش دهد و ارتباط RS-485 را پشتیبانی می کند. خطوط خروجی ولتاژ پایین از چهار مدار کلید هوا پلاستیکی بدون آتش پرواز استفاده می کنند. سمت ولتاژ پایین با یک خط میانی و یک خط زمینی مجهز شده است که هر دو در پایین کابین ولتاژ پایین قرار دارند.

شین ولتاژ پایین ترانسفورماتور از اتاق تغذیه اضطراری به تجهیزات کلید هوا پلاستیکی ولتاژ پایین معرفی شده و طراحی شده است تا قابل جدا شدن باشد. پس از تبدیل سیم کشی، به یک خط خروجی ولتاژ پایین به کابل خروجی در پایین کابین ولتاژ پایین تبدیل می شود. تعداد مدارهای خروجی می تواند به طور انعطاف پذیر طراحی شود. اتاق تغذیه اضطراری باید دارای دستورالعمل های عملیاتی باشد و دهانه برای نگهداری دستی آسان است.

(۴) اتاق خودکار. زیرستانیون پیش ساخته با یک اتاق خودکار مستقل مجهز شده است که در آن ترمینال خودکار توزیع (DTU) وضعیت عملکرد خطوط ورودی و خروجی ۱۰ کیلوولت را نظارت و کنترل می کند و عملکردهایی مانند اندازه گیری دور، سیگنال گیری دور، کنترل دور و تنظیم دور را انجام می دهد. DTU ابتدا از تغذیه اصلی برای تغذیه استفاده می کند. وقتی شرایط تغذیه اصلی وجود ندارد، از یک ترانسفورماتور پتانسیل برای تغذیه استفاده می کند و از یک باتری ذخیره کننده متناسب به عنوان منبع تغذیه پشتیبان استفاده می کند.

این دستگاه دارای یک ماژول مدیریت تغذیه داخلی است که می تواند خروجی AC220V و DC24V را تأمین کند و یک منبع تغذیه جریان متناوب AC220V برای مکانیسم عملیات الکتریکی واحد حلقه ارائه می دهد.DTU از چندین روش ارتباطی و پروتکل های ارتباطی پشتیبانی می کند و دارای ۲ رابط سریال RS-485 و ۲ رابط شبکه (RJ45) است که با پروتکل های IEC101، IEC104 و CDT سازگار است؛ DTU به صورت کلی در یک کابین دیواری نصب شده است، از یک پلاگ هوایی استفاده می کند که برای تجزیه، نصب و نگهداری محلی آسان است و می تواند نیازهای طرح فضایی یک مجموعه ترمینال و منبع تغذیه پشتیبان را برآورده کند.

(۵) اتاق ارتباطات. زیرستانیون پیش ساخته با یک اتاق ارتباطات مستقل مجهز شده است که در داخل آن یک فریم توزیع نوری، یک مبدل اترنت صنعتی و یک واحد شبکه نوری قرار داده شده و از فضای کابل کشی و سوراخ های ورود و خروج برای کابل های ارتباطات نوری، پیگتیل ها و کابل های تغذیه ایجاد شده است. این اتاق می تواند داده های نظارتی درون زیرستانیون پیش ساخته را به پلتفرم نظارت هوشمند منتقل کند تا وضعیت عملکرد و داده های آن را به طور واقعی نظارت کند.

(۶) اتاق جمع آوری مصرف برق. اتاق جمع آوری مصرف برق در بالای اتاق ارتباطات قرار دارد. این اتاق دارای محل نصب ترمینال های توزیع هوشمند ترانسفورماتور، متمرکز کننده ها و مترهای عمومی منطقه ترانسفورماتور است، همچنین فضای نصب برای ترمینال های ترکیبی و جعبه های تست سیم کشی موجود است و فضای کابل کشی و سوراخ های ورود و خروج برای سیگنال های نمونه برداری و کابل های ارتباطات ایجاد شده است.

این اتاق مسئول اندازه گیری انواع پارامترهای عملکرد زیرستانیون پیش ساخته است و مرکز ارتباطات داده های انرژی الکتریکی است. از یک طرف، داده های انرژی الکتریکی خروجی شده به صورت ارتباط سریال توسط مترهای انرژی دیجیتال را جمع آوری و ذخیره می کند. از طرف دیگر، داده های انرژی جمع آوری شده را از طریق کانال بالادستی به کامپیوتر اصلی سیستم خودکار فاکتورسازی انرژی الکتریکی منتقل می کند.

۲.۳ طراحی دستگاه زمین شدن

الکترود زمین شدن زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند از لوله آهن روغن داده شده استفاده می کند. شین زمینی پایه از فولاد U شکل دارای ۲ ترمینال زمینی مسی به اتصال با الکترود زمین شدن است، با مساحت تماس الکتریکی ۱۶۰ میلی متر مربع و نشانه های واضح. خط میانی ولتاژ پایین ترانسفورماتور مستقیماً به بدن زمین شده متصل می شود. از جمله، اتاق ترانسفورماتور، اتاق ولتاژ بالا و اتاق ولتاژ پایین با استفاده از ترمینال های زمین شدن به یکدیگر متصل می شوند.

سیم های ایمنی دومی تجهیزات الکتریکی با پوشش محافظ شفاف مجهز شده اند و سیم های مسی دارای مساحت مقطع ۴ میلی متر مربع هستند؛ همه درهای کابین، قطعات فلزی و قاب های فلزی به طور مداوم و قابل اعتماد به زمین متصل می شوند. شبکه زمینی بیرونی پایه از داخل پایه به پایین زیرستانیون پیش ساخته وارد شده و به ترمینال های زمین شدن در ایستگاه متصل می شود، با استفاده از روش دفن مستقیم. مقاومت زمین زیرستانیون پیش ساخته بیش از ۱ اهم نیست.

۳ نیازهای فنی زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند
۳.۱ اصل الکتریکی

زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند برای شبکه توزیع سیستم سه فاز AC ۱۰/۰.۴ کیلوولت مناسب است. این دستگاه تجهیزات کلید ولتاژ بالا، ترانسفورماتورهای توزیع و تجهیزات توزیع ولتاژ پایین را بر اساس یک طرح کابل کشی خاص یکپارچه می کند. سمت ولتاژ بالا از یک طرح شین واحد استفاده می کند، با دو خط ورودی و یک خط خروجی. حفاظت فیوز روی سمت ترانسفورماتور تنظیم شده است. پس از تبدیل توسط ترانسفورماتور توزیع، شین ولتاژ پایین می تواند با توجه به نیازها چهار خط خروجی ولتاژ پایین طراحی شود و کلید اصلی ولتاژ پایین تنظیم نشده است.

۳.۲ مکان های قابل کاربرد

این زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند به طور گسترده در مکان های بیرونی مانند بازسازی شبکه توزیع شهری، جوامع مسکونی، کارخانجات و شرکت ها، ساختمان های تجاری و اداری، مناطق تجاری، فضاهای سبز عمومی، مناطق حفاظت از فرهنگ، و پارک ها قابل کاربرد است.

۳.۳ شرایط محیطی استفاده

• ارتفاع: بیش از ۱۰۰۰ متر نیست.

•  دمای محیط: کمترین -۲۵ درجه سانتیگراد، بیشترین ۴۵ درجه سانتیگراد؛ میانگین دمای سالانه بیشترین ۲۰ درجه سانتیگراد نیست و میانگین دمای ماهانه بیشترین ۳۵ درجه سانتیگراد نیست.

• رطوبت نسبی: در ۲۰ درجه سانتیگراد، میانگین ماهانه بیشترین ۹۰٪ نیست و میانگین روزانه بیشترین ۹۵٪ نیست.

• مقاومت در برابر زلزله: شتاب افقی زمین بیش از ۰.۲ g (g نشان دهنده شتاب گرانشی است) نیست و شتاب عمودی زمین ۰.۱ g است.

• شدت نور خورشید: وقتی سرعت باد ۰.۵ متر بر ثانیه است، شدت تابش خورشید بیش از ۰.۱ وات بر سانتی متر مربع نیست.

• حداکثر ضخامت پوشش یخ: ۱۰ میلی متر.

•  سطح آلودگی: بیش از سطح III نیست

• شیب زمین: بیش از ۳ درجه نیست.

• مکان نصب: بیرونی، بدون خطر انفجار، آتش سوزی، فرسایش شیمیایی یا ارتعاش شدید.

اگر با شرایط محیطی استفاده عادی فوق مطابقت نداشته باشد، بین کاربر و تولیدکننده باید مذاکره و حل شود.

۴ پذیرش نمونه اولیه زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند

زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند توسط شرکت تجهیزات الکتریکی هوشمند چیهوی چینگسو نمونه اولیه شد. مرکز آزمایش تجهیزات انتقال و توزیع ولتاژ بالا صنعت مکانیک آزمایش های اصلی اجزا را بر اساس استانداردهای ملی و صنعتی مرتبط انجام داد و نتایج آزمایش مجاز بود. شرکت برق شانگهای سیستم شبکه ملی یک پذیرش جامع از اندازه، ظاهر و عملکرد این نمونه اولیه انجام داد و نتایج پذیرش مجاز بود.

۵ نتیجه گیری

زیرستانیون پیش ساخته کوچک و هوشمند توسعه یافته در این مقاله مزایای زیرستانیون های پیش ساخته موجود در داخل و خارج کشور را یکپارچه می کند. دارای مزایای ساختار ساده، مساحت کوچک، ایمنی و قابلیت اطمینان، زیبایی و محیط زیستی، معافیت از بازرسی و نگهداری و نیازهای نگهداری کم است. این دستگاه دارای ارزش مهمی برای تبلیغ و کاربرد در ساخت و بازسازی شبکه های توزیع شهری است.