توسعه و کاربرد یک زیرстанسیون پیش ساخته هوشمند مینیاتوری

با تسریع در ساخت شهرهای هوشمند، شبکه توزیع شهری به طور مداوم به روزرسانی و بازسازی می‌شود و پروژه‌های زیرزمینی کردن خطوط هوایی نیز به طور پیوسته پیشرفت می‌کنند. تعداد زیادی از خطوط هوایی ۱۰ کیلوولت با کابل‌های زیرزمینی جایگزین می‌شوند. با توجه به شرایط فعلی مانند فضای محدود برخی از خیابان‌های شهری و کمبود محل نصب تجهیزات، الزامات بیشتری بر حجم، ساختار و عملکرد زیرстанیون‌های پیش‌ساخته سنتی وضع می‌شود.

بر اساس کاربرد زیرستانیون‌های پیش‌ساخته سنتی، این مقاله تحقیق و تحلیل انجام داده و یک زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده، هوشمند و منظری طراحی کرده است. این زیرستانیون پیش‌ساخته دارای ساختار فشرده، عملکرد پایدار، قابلیت عملی بالا و قابلیت اطمینان تأمین برق بالا است. آن می‌تواند از فضای مرکزی شهری به صورت متمرکز استفاده کند، هماهنگی و یکپارچگی با محیط اطراف را ایجاد کند و به طور گسترده‌ای در پروژه‌های به روزرسانی و بازسازی شبکه‌های توزیع شهری کاربرد داشته باشد.

۱ طراحی ظاهری زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند

با توجه به الزامات مانند موقعیت جغرافیایی، نرخ استفاده از فضا و محدودیت‌های محیطی، زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند از یک طرح طولانی و باریک استفاده می‌کند. حجم آن فقط دو سوم حجم زیرستانیون پیش‌ساخته اصلی است. پوشش (شامل قسمت بالایی، درها، قسمت پایین و قطعات فلزی داخلی) و ضمائم آن از فولاد ضدزنگ ۳۰۴ ساخته شده‌اند، در حالی که داخل آن از صفحات فولادی لایه‌ای SGCC استفاده شده و مواد عایق حرارتی و مقاوم در برابر آتش به دیوارهای اطراف اضافه شده است. سطح خارجی آن به رنگ سبز تیره رنگ‌آمیزی شده که هم زیبا و هم محیط‌زیست دوستانه است.

پوشش دارای قدرت مکانیکی و عملکرد لرزه‌ای کافی است تا از آسیب یا تغییر شکل در حین حمل، نصب و بلند کردن محافظت کند. قسمت بالایی پوشش دارای ساختار "بال سیاه" با شیب ۵ درجه است. این یک ساختار دو لایه است که اثر جدا کردن تابش خورشید را دارد. دارای ایوان جلوگیری از بازگشت و مجرای تهویه است و قسمت بالایی پوشش قابل جدا کردن است. درهای پوشش دارای ساختار دو لایه ضد دزدی با میخ‌های بولتی هستند و به بیرون باز می‌شوند. قسمت پایین پوشش دارای لایه‌ای لایه‌ای است و به بخش بدنه پوشش به صورت بی‌پیوند متصل شده است. در قسمت پایین یک درب وجود دارد و نوارهای مهر و موم شده در اطراف درب نصب شده‌اند. دستگاه‌های مهر و موم کابل‌های مقاوم در برابر آتش روی دو طرف نصب شده‌اند که دارای مهر و موم خوب و اقدامات کامل عایق‌بندی هستند.

تمام قسمت‌های جوشکاری شده و اتصالات بخش‌های خارجی زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند به خوبی مهر و موم شده‌اند و دارای ویژگی‌های مقاومت در برابر آب، غبار، فرسایش و اشعه ماوراء بنفش هستند. هم زیبا و هم محیط‌زیست دوستانه است. بدون نیاز به نگهداری، عمر معمولی آن می‌تواند تا ۴۰ سال باشد.

۲ ساختار و توابع چیدمان زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند
۲.۱ طراحی چیدمان ساختاری

ساختار زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند ساده است. داخل پوشش به شش اتاق کاری اصلی تقسیم شده است: اتاق ترانسفورماتور، اتاق فشار بالا، اتاق فشار پایین، اتاق خودکار، اتاق ارتباطات و اتاق جمع‌آوری مصرف برق. این اتاق‌های کاری کاملاً از هم جدا شده و به شکل "چشم" چیدمان شده‌اند.

این زیرستانیون می‌تواند در تمام چهار طرف در داشته باشد که الزامات نگهداری باز کردن درهای سه طرف را برآورده می‌کند. درهای محافظ اتاق فشار بالا و اتاق فشار پایین با قفل‌های مکانیکی مجهز شده‌اند تا اطمینان حاصل شود که در اتاق فشار بالا فقط زمانی باز می‌شود که در اتاق فشار پایین باز باشد. هر اتاق کاری از یک روش تهویه طبیعی مستقل استفاده می‌کند تا الزامات دما و رطوبت تمام تجهیزات الکتریکی را برآورده کند. در صورت لزوم، گرمکن‌ها، خشک‌کن‌ها و تجهیزات دیگر می‌توانند اضافه شوند تا عملکرد ایمن و قابل اعتماد آن در فضای باز را تضمین کنند.

اجزای اصلی این زیرستانیون شامل ترانسفورماتورهای نیم‌فشرده، واحد حلقه ۱۰ کیلوولت با کلیدهای هوایی پلاستیکی پوشش SF6 (در سمت فشار پایین)، رابط‌های تغذیه اضطراری استاندارد (در سمت باریکه فشار پایین)، واحد پایانه ایستگاه، متر عمومی، متمرکزکننده‌ها، پایانه‌های پیکربندی هوشمند، پایانه‌های ارتباطات نوری و غیره است.

۲.۲ طراحی اتاق‌های کاری

(۱) اتاق ترانسفورماتور. اتاق ترانسفورماتور شامل ترانسفورماتورها، رادیاتورها، سیم‌های باریکه و شبکه‌های ایمنی است. ترانسفورماتور از نوع کارایی انرژی سطح اول با پوشش کامل فولاد سیلیکونی یا آلیاژ بی‌شکل است. سمت فشار بالا با سرکابل‌های پیش‌ساخته مجهز شده و سرکابل‌های فشار پایین با محافظ‌های عایقی مجهز شده‌اند. ظرفیت می‌تواند ۵۰۰ کیلوولت-آمپر یا ۶۳۰ کیلوولت-آمپر انتخاب شود.

(۲) اتاق فشار بالا. اتاق فشار بالا از واحد حلقه ۱۰ کیلوولت تشکیل شده که به دو بخش ورودی و خروجی تقسیم شده و هر دو به طور مستقل محدود شده‌اند. واحد حلقه دارای ساختار کاملاً عایق و جعبه مشترک است و از گاز SF6 برای خاموش کردن قوس الکتریکی و عایق‌بندی استفاده می‌کند. جعبه گاز با دستگاه نمایش فشار گاز مجهز شده که گره کمکی هشدار باز باقی مانده است. جعبه گاز و بدنه کابین از فولاد ضدزنگ ۳۰۴ و مواد آلیاژی روی آلومینیوم با کیفیت بالا ساخته شده‌اند و سطح بدنه کابین با روش پوشش اپوکسی الکترواستاتیک رنگ‌آمیزی شده است.

کابین واحد از بالا به پایین به بخش ثانویه، بخش کلید بار و بخش کابل تقسیم شده است. بخش ثانویه در بالای کابین واحد قرار دارد. صفحه بخش شامل کلیدهای روشن و خاموش، نمایشگرهای روشن و خاموش، کلیدهای انتقال دور و نزدیک، نمایشگرهای خطا و زنده است. بخش کلید بار کابین معمولاً از دستگاه ترکیبی کلید بار و فیوز محدودکننده جریان انتخاب می‌شود. در آن، کلید بار می‌تواند جریان بار متعیین شده و جریان انتقال را وقتی که خرابی در سمت فشار پایین ترانسفورماتور رخ می‌دهد قطع کند؛ فیوز محدودکننده جریان می‌تواند جریان‌های کوتاه‌مداری بین فازی، کوتاه‌مداری زمینی و جریان‌های بیش از حد را قطع کند.

کلید بار می‌تواند با عملیات برقی و دستی باز، بسته و زمین شود و عملیات آن ساده و راحت است. بخش کلید بار و بخش کلید زمین دارای عملکرد قفل‌گیری "پنج‌پیشگیری" معتبر است. بخش کابل کابین از گودال کابل فشار بالا برای ورود و خروج از زیرزمین استفاده می‌کند. مکان‌های سرکابل‌های ورودی و خروجی برای نصب راحت است و یک ترانسفورماتور جریان باز استفاده شده است.

(۳) اتاق فشار پایین. اتاق فشار پایین از تجهیزات کلید بار فشار پایین، اتاق تغذیه اضطراری و درب‌های تعمیر و نگهداری تشکیل شده است. رنگ بدنه کابین فشار پایین مانند کابین فشار بالا RAL7035 است. یک متر چندکاره دیجیتال پلاگین روی صفحه کابین فشار پایین نصب شده که می‌تواند ولتاژ و جریان را نمایش دهد و ارتباط RS-485 را پشتیبانی کند. خطوط خروجی فشار پایین از چهار مسیر کلید هوایی پلاستیکی بدون قوس استفاده می‌کنند. سمت فشار پایین دارای خط محايد و خط زمین است که هر دو در پایین کابین فشار پایین قرار دارند.

باریکه فشار پایین ترانسفورماتور از اتاق تغذیه اضطراری به تجهیزات کلید بار فشار پایین معرفی شده و طراحی شده تا قابل جدا کردن باشد. پس از تبدیل کابل، به خط خروجی کابل در پایین کابین فشار پایین تبدیل می‌شود. تعداد مسیرهای خروجی می‌تواند به طور انعطاف‌پذیر طراحی شود. اتاق تغذیه اضطراری باید همراه با دستورالعمل‌های عملیاتی باشد و درب‌های تعمیر و نگهداری برای نگهداری دستی راحت است.

(۴) اتاق خودکار. زیرستانیون پیش‌ساخته با یک اتاق خودکار مستقل مجهز شده است که در آن پایانه خودکار توزیع (DTU) شرایط عملیاتی مسیرهای ورودی و خروجی ۱۰ کیلوولت را نظارت و کنترل می‌کند و عملکردهایی مانند اندازه‌گیری دور، ارسال اطلاعات دور، کنترل دور و تنظیم دور را انجام می‌دهد. DTU به ترجیح از برق اصلی برای تأمین برق استفاده می‌کند. وقتی که شرایط تأمین برق اصلی وجود ندارد، از ترانسفورماتور ولتاژ استفاده می‌کند و از باتری ذخیره‌سازی به عنوان منبع برق پشتیبان استفاده می‌کند.

این دستگاه دارای ماژول مدیریت برق داخلی است که می‌تواند خروجی AC220V و DC24V را تأمین کند و منبع برق متناوب AC220V را برای مکانیسم عملیاتی برق واحد حلقه فراهم می‌کند.DTU از چندین روش ارتباطی و پروتکل‌های ارتباطی پشتیبانی می‌کند و دارای ۲ رابط سریال RS-485 و ۲ رابط شبکه (RJ45) است که با پروتکل‌های IEC101، IEC104 و CDT سازگار است؛ DTU به صورت کلی در یک کابین دیواری نصب شده و از پلاگین هوایی استفاده می‌کند که برای جدا کردن، نصب و نگهداری محلی راحت است و می‌تواند الزامات چیدمان فضایی یک سری پایانه و منبع برق پشتیبان را برآورده کند.

(۵) اتاق ارتباطات. زیرستانیون پیش‌ساخته با یک اتاق ارتباطات مستقل مجهز شده است که در داخل آن یک رک پخش کننده نوری، یک مبدل اترنت صنعتی و یک واحد شبکه نوری نصب شده و از قسمت‌های تزریق کابل‌های ارتباطات نوری، سیم‌های کوتاه و کابل‌های برق رزرو شده است. این اتاق می‌تواند داده‌های نظارتی داخل زیرستانیون پیش‌ساخته را به پلتفرم نظارت هوشمند منتقل کند تا وضعیت و داده‌های عملیاتی آن را به طور واقعی نظارت کند.

(۶) اتاق جمع‌آوری مصرف برق. اتاق جمع‌آوری مصرف برق در بالای اتاق ارتباطات قرار دارد. این اتاق شامل مکان‌های نصب پایانه‌های توزیع هوشمند ترانسفورماتور، متمرکزکننده‌ها و مترهای عمومی منطقه ترانسفورماتور است و همچنین فضاهای نصب ترمینال‌های ترکیبی و جعبه‌های آزمون ترکیبی و از قسمت‌های تزریق سیگنال‌های نمونه‌برداری و کابل‌های ارتباطات رزرو شده است.

این اتاق مسئول اندازه‌گیری انواع پارامترهای عملیاتی زیرستانیون پیش‌ساخته و مرکز ارتباطات داده‌های انرژی الکتریکی است. از یک سو، داده‌های انرژی الکتریکی خروجی شده توسط مترهای دیجیتال انرژی الکتریکی را جمع‌آوری و ذخیره می‌کند. از سوی دیگر، داده‌های انرژی جمع‌آوری شده را از طریق کانال بالا به کامپیوتر اصلی ایستگاه اصلی سیستم خودکار فاکتورسازی انرژی الکتریکی منتقل می‌کند.

۲.۳ طراحی دستگاه زمین‌کردن

دستگاه زمین‌کردن زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند از لوله فولادی کادمیوم‌دار استفاده می‌کند. میله زمین‌کردن پایه‌ی لوله‌ای دارای ۲ ترمینال زمین‌کردن مسی است که به دستگاه زمین‌کردن متصل شده‌اند با مساحت مقطع الکتریکی ۱۶۰ میلی‌متر مربع و نشانه‌های واضح. خط محايد فشار پایین ترانسفورماتور به طور مستقیم به بدنه زمین‌کردن متصل می‌شود. در آن، اتاق ترانسفورماتور، اتاق فشار بالا و اتاق فشار پایین از طریق ترمینال‌های زمین‌کردن به هم متصل می‌شوند.

سیم‌های ایمنی ثانویه تجهیزات الکتریکی با پوشش محافظ شفاف مجهز شده‌اند و سیم‌های مسی دارای مساحت مقطع ۴ میلی‌متر مربع هستند؛ تمام درب‌های کابین، قطعات فلزی و قاب‌های فلزی به طور مداوم و قابل اعتماد به زمین متصل شده‌اند. شبکه زمین‌کردن خارجی پایه از سمت داخل پایه به پایین زیرستانیون پیش‌ساخته معرفی شده و به ترمینال‌های زمین‌کردن در ایستگاه متصل شده است و از روش دفن مستقیم استفاده می‌کند. مقاومت زمین‌کردن زیرستانیون پیش‌ساخته بیش از ۱ اهم نیست.

۳ الزامات فنی زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند
۳.۱ اصل الکتریکی

زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند برای شبکه توزیع سیستم سه‌فاز ۱۰/۰.۴ کیلوولت مناسب است. این دستگاه تجهیزات کلید بار فشار بالا، ترانسفورماتورهای توزیع و تجهیزات توزیع فشار پایین را بر اساس یک طرح سیم‌کشی خاص یکپارچه می‌کند. سمت فشار بالا از یک سیم‌کشی با مادرک اصلی استفاده می‌کند با دو خط ورودی و یک خط خروجی. حفاظت فیوز روی سمت ترانسفورماتور تنظیم شده است. پس از تبدیل توسط ترانسفورماتور توزیع، باریکه فشار پایین می‌تواند با توجه به نیازها با چهار خط خروجی فشار پایین طراحی شود و کلید اصلی فشار پایین ندارد.

۳.۲ مکان‌های قابل کاربرد

این زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند به طور گسترده در مکان‌های خارجی مانند بازسازی شبکه توزیع شهری، مجموعه‌های مسکونی، کارخانه‌ها و شرکت‌ها، ساختمان‌های اداری تجاری، مناطق تجاری، فضاهای سبز عمومی، مناطق حفاظت‌شده فرهنگی و پارک‌ها کاربرد دارد.

۳.۳ شرایط محیطی استفاده

• ارتفاع: بیش از ۱۰۰۰ متر نیست.

•  دمای محیط: کمترین دمای -۲۵ درجه سانتیگراد، بیشترین دمای 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 نشان‌دهنده شتاب گرانش است) نیست و شتاب عمودی زمین ۰.۱ g است.

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

• حداکثر ضخامت یخ‌زدن: ۱۰ میلی‌متر.

•  سطح آلودگی: بیش از سطح III نیست

• شیب زمین: بیش از ۳ درجه نیست.

• مکان نصب: خارجی، بدون خطر انفجار، آتش‌سوزی، فرسایش شیمیایی یا ارتعاشات شدید.

اگر با شرایط محیطی استفاده معمولی فوق مطابقت ندارد، بین کاربر و سازنده باید مذاکره و حل و فصل شود.

۴ پذیرش پروتوتیپ زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند

زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند توسط شرکت تجهیزات الکتریکی هوشمند چیهو ژانگسو پروتوتیپ شده است. مرکز بازرسی کیفیت تجهیزات انتقال و توزیع فشار بالا صنعت مکانیکی آزمایش‌های اصلی را بر اساس استانداردهای ملی و صنعتی مرتبط انجام داده و نتایج آزمایش معتبر بود. شرکت برق دولتی شانگهای پذیرش جامع اندازه، ظاهر و عملکرد این پروتوتیپ را انجام داد و نتایج پذیرش معتبر بود.

۵ نتیجه‌گیری

زیرستانیون پیش‌ساخته کوچک‌سازی شده و هوشمند توسعه داده شده در این مقاله مزایای زیرستانیون‌های پیش‌ساخته موجود در داخل و خارج کشور را یکپارچه کرده است. دارای مزایای ساختار ساده، مساحت کم، ایمنی و قابلیت اطمین