Desenvolvimento e Aplicação de um Subestação Prefabricada Inteligente Miniaturizada
Com a aceleração da construção de cidades inteligentes, a rede de distribuição urbana está sendo constantemente atualizada e reformada, e os projetos de subterraneização de linhas aéreas também estão progredindo de forma constante. Um grande número de linhas aéreas de 10 kV está sendo substituído por cabos subterrâneos. Considerando a situação atual, como o espaço limitado em algumas vias urbanas e a escassez de locais para instalação de equipamentos, são colocadas exigências mais altas em relação ao volume, estrutura e desempenho das subestações pré-fabricadas tradicionais.
Com base na aplicação das subestações pré-fabricadas tradicionais, este artigo realiza pesquisas e análises e projeta uma subestação pré-fabricada miniaturizada, inteligente e paisagística. Esta subestação pré-fabricada possui uma estrutura compacta, desempenho estável, forte praticidade e alta confiabilidade no fornecimento de energia. Pode fazer uso intensivo do espaço central urbano, alcançar harmonia e unidade com o ambiente circundante e pode ser amplamente aplicada nos projetos de atualização e renovação das redes de distribuição urbana.
1 Design Aparência da Subestação Pré-fabricada Miniaturizada Inteligente
Levando em conta requisitos como localização geográfica, taxa de utilização do espaço e restrições ambientais, a subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente adota um layout longo e estreito. Seu volume é apenas dois terços do da subestação pré-fabricada original. A carcaça (incluindo o topo, portas, fundo e componentes metálicos internos) e seus anexos são todos feitos de aço inoxidável 304, enquanto o interior usa chapas de aço fino galvanizado a quente SGCC, e materiais isolantes térmicos e retardadores de chama são adicionados às paredes laterais. A superfície externa é pintada de verde escuro, que é tanto esteticamente agradável quanto ecológica.
A carcaça possui resistência mecânica e desempenho sísmico suficientes para garantir que não seja facilmente danificada ou deformada durante o transporte, instalação e içamento. O topo da carcaça adota uma estrutura "em zigue-zague" com uma inclinação de 5°. É uma estrutura de duas camadas que tem o efeito de isolar a radiação solar. Está equipada com beiral anti-retorno e dutos de ventilação, e o topo da carcaça é removível. As portas da carcaça possuem uma estrutura de fechadura antifurto de duas camadas e abrem para fora. O fundo da carcaça é galvanizado a quente e conectado sem emendas ao corpo da carcaça. Há um alçapão no fundo, e tiras de vedação são instaladas ao redor do alçapão. Dispositivos de vedação de cabos resistentes à inflamabilidade são fornecidos em ambos os lados, com boa vedação e medidas completas de proteção contra umidade.
Todas as partes soldadas e as junções dos componentes externos da subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente estão bem vedadas, e possui características como resistência à água, poeira, corrosão e proteção contra radiação ultravioleta. É tanto bonita quanto ecológica. Sem a necessidade de manutenção, sua vida útil normal pode chegar a 40 anos.
2 Funções de Estrutura e Layout da Subestação Pré-fabricada Miniaturizada Inteligente
2.1 Design de Layout Estrutural
A estrutura da subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente é simples. O interior da carcaça é dividido em seis salas funcionais principais: a sala de transformador, a sala de alta tensão, a sala de baixa tensão, a sala de automação, a sala de comunicação e a sala de coleta de consumo de energia. Essas salas funcionais estão completamente separadas umas das outras e dispostas em forma de "olho".
Esta subestação pode ter portas em todos os quatro lados, atendendo aos requisitos de manutenção de abrir portas em três lados. As portas de proteção da sala de alta tensão e da sala de baixa tensão estão equipadas com intertravamentos mecânicos para garantir que a porta da sala de alta tensão só possa ser aberta quando a porta da sala de baixa tensão estiver aberta. Cada sala funcional adota um método de ventilação natural independente para atender aos requisitos de temperatura e umidade de todos os equipamentos elétricos. Quando necessário, podem ser adicionados aquecedores, desumidificadores e outros equipamentos para garantir seu funcionamento seguro e confiável ao ar livre.
Os componentes principais desta subestação incluem: transformadores a óleo, unidades de anel principal de 10 kV com interruptores plásticos de casco de baixa tensão (no lado de baixa tensão) selados com gás SF6, interfaces rápidas padronizadas de alimentação de emergência (no lado da barramento de baixa tensão), bem como unidades terminais de estação, medidores gerais, concentradores, terminais de configuração inteligente, terminais de comunicação por fibra ótica, etc.
2.2 Design das Salas Funcionais
(1) Sala de Transformador. A sala de transformador inclui transformadores, radiadores, fiação de barramento e redes de proteção, etc. O transformador usa um transformador de distribuição a óleo totalmente selado de folha de silício de primeira classe ou de liga amorfa. O lado de alta tensão está equipado com cabeças de cabo plugáveis pré-fabricadas, e as saídas de baixa tensão estão equipadas com mangas de proteção de isolamento. A capacidade pode ser selecionada como 500 kV·A ou 630 kV·A.
(2) Sala de Alta Tensão. A sala de alta tensão é composta por unidades de anel principal de 10 kV, que são divididas em armários de entrada e saída, e os dois são independentemente encapsulados. A unidade de anel principal é de estrutura totalmente isolada e de caixa comum, usando gás SF6 para extinção de arco e isolamento. A caixa de gás está equipada com um dispositivo de exibição de pressão de gás com um nó auxiliar de alarme normalmente aberto. A caixa de gás e o corpo do armário são feitos de aço inoxidável 304 e chapa de alumínio revestida de zinco de alta qualidade, respectivamente, e a superfície do corpo do armário utiliza um processo de pulverização eletrostática de epóxi.
O armário de unidade é dividido em uma sala secundária, uma sala de chave de carga e uma sala de cabos, de cima para baixo. A sala secundária está localizada na parte superior do armário de unidade. O painel da sala está equipado com interruptores de ligar/desligar, indicadores de ligar/desligar, interruptores de transferência remoto/local, bem como indicadores de falha e de presença de tensão, etc. A unidade de chave de carga do armário de unidade geralmente seleciona um aparelho combinado de chave de carga e fusível limitador de corrente. Dentre eles, a chave de carga pode interromper a corrente de carga especificada e a corrente de transferência quando ocorre uma falha no lado de baixa tensão do transformador; o fusível limitador de corrente pode cortar várias correntes de curto-circuito entre fases, de terra e de sobrecarga.
A chave de carga pode realizar abertura, fechamento e aterramento através de operações elétricas e manuais, e a operação é simples e conveniente. A unidade de chave de carga e a unidade de chave de aterramento têm uma função de intertravamento "cinco-prevenções" confiável. A sala de cabos do armário de unidade usa principalmente o canal de cabos de alta tensão subterrâneo para entrada e saída de cabos. As posições dos terminais de entrada e saída de cabos são convenientes para instalação, e um transformador de corrente de alta tensão aberto é instalado.
(3) Sala de Baixa Tensão. A sala de baixa tensão é composta principalmente por quadros de baixa tensão, compartimentos de alimentação de emergência e alçapões, etc. A cor do corpo do quadro de baixa tensão é a mesma do quadro de alta tensão, usando RAL7035. Um medidor multifuncional digital plugável é instalado no painel do quadro de baixa tensão, que pode exibir tensão e corrente e suporta comunicação RS-485. As saídas de baixa tensão usam quatro circuitos de interruptores plásticos de casco de baixa tensão sem arco. O lado de baixa tensão está equipado com linha neutra e linha de aterramento, ambas dispostas na parte inferior do quadro de baixa tensão.
O barramento de baixa tensão do transformador é introduzido no quadro de baixa tensão a partir do compartimento de alimentação de emergência, projetado para ser removível. Após a conversão de fiação, torna-se um alimentador de baixa tensão para o cabo de saída na parte inferior do quadro de baixa tensão. O número de circuitos de saída pode ser projetado de forma flexível de acordo com as necessidades. O compartimento de alimentação de emergência deve ser acompanhado por instruções de operação, e o alçapão é conveniente para manutenção manual.
(4) Sala de Automação. A subestação pré-fabricada está equipada com uma sala de automação independente, na qual o terminal de automação de distribuição (DTU) monitora e controla as condições de operação dos circuitos de entrada e saída de 10 kV, alcançando funções como telemetria, tele-sinalização, tele-comando e tele-regulação. O DTU usa preferencialmente a alimentação de energia principal. Quando não há condições para alimentação de energia principal, usa um transformador de potencial para alimentação de energia e usa uma bateria de armazenamento de energia como fonte de alimentação de backup.
Possui um módulo de gerenciamento de energia embutido, que pode atender à saída de AC220V e DC24V e fornece uma fonte de alimentação de corrente alternada de AC220V para o mecanismo de operação elétrica da unidade de anel principal.O DTU suporta múltiplos métodos e protocolos de comunicação, e possui 2 interfaces seriais RS-485 e 2 interfaces de rede (RJ45), compatíveis com protocolos como IEC101, IEC104 e CDT; o DTU é instalado como um todo em um armário montado na parede, utilizando um conector de aviação, que é conveniente para desmontagem, instalação e manutenção no local, e pode atender aos requisitos de layout de espaço para um conjunto de terminais e fontes de alimentação de backup.
(5) Sala de Comunicação. A subestação pré-fabricada está equipada com uma sala de comunicação independente, que é internamente configurada com uma distribuidora de fibras óticas, um switch Ethernet industrial e uma unidade de rede ótica, e reserva ranhuras de fiação e buracos de entrada e saída para cabos de fibras óticas, pigtails e cabos de energia. Esta sala pode transmitir os dados de monitoramento dentro da subestação pré-fabricada para a plataforma de monitoramento inteligente, para monitorar seu estado de operação e dados em tempo real.
(6) Sala de Coleta de Consumo de Energia. A sala de coleta de consumo de energia está localizada acima da sala de comunicação. Está equipada com posições de instalação para terminais de transformador de distribuição inteligente, concentradores e medidores gerais da área de transformador, bem como espaços de instalação para blocos terminais e caixas de testes de fiação combinada, e reserva ranhuras de fiação e buracos de entrada e saída para sinais de amostragem e cabos de comunicação.
Esta sala é responsável por medir vários parâmetros de operação da subestação pré-fabricada e é o hub de comunicação de dados de energia. Por um lado, coleta e armazena os dados de energia em formato de comunicação serial produzidos pelos medidores de energia digitais. Por outro lado, transmite os dados de energia coletados para o computador principal do sistema de automação de faturamento de energia através do canal ascendente.
2.3 Design do Dispositivo de Aterramento
O eletrodo de aterramento da subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente usa um tubo de ferro galvanizado. O barramento de aterramento da base de vergalhão de canal está equipado com 2 terminais de aterramento de cobre conectados ao eletrodo de aterramento, com uma seção de contato elétrico de 160 mm² e sinais evidentes. A linha neutra de baixa tensão do transformador está diretamente conectada ao corpo de aterramento. Entre eles, a sala de transformador, a sala de alta tensão e a sala de baixa tensão estão conectadas umas às outras usando terminais de aterramento.
Os fios de aterramento de segurança secundários dos equipamentos elétricos são adicionados com mangas protetoras transparentes, e os fios de cobre têm uma seção de 4 mm²; todas as portas dos armários, peças metálicas e estruturas metálicas estão continuamente e confiavelmente conectadas ao solo. A malha de aterramento externa da fundação é introduzida na parte inferior da subestação pré-fabricada a partir do lado interno da fundação e conectada aos terminais de aterramento na estação, usando um método de enterramento direto. A resistência de aterramento da subestação pré-fabricada não é maior que 1 Ω.
3 Requisitos Técnicos da Subestação Pré-fabricada Miniaturizada Inteligente
3.1 Princípio Elétrico
A subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente é adequada para a rede de distribuição de um sistema de corrente alternada trifásico de 10/0,4 kV. Integra equipamentos de comutação de alta tensão, transformadores de distribuição e dispositivos de distribuição de baixa tensão de acordo com um esquema de fiação específico. O lado de alta tensão adota uma fiação de barramento único, com duas entradas e uma saída. Uma proteção por fusível é definida no lado do transformador. Após ser transformado pelo transformador de distribuição, o barramento de baixa tensão pode ser projetado com quatro alimentadores de baixa tensão de acordo com as necessidades, e não é definido um disjuntor principal de baixa tensão.
3.2 Locais Aplicáveis
Esta subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente é amplamente aplicável a locais ao ar livre, como a renovação da rede de distribuição urbana, comunidades residenciais, fábricas e empresas, edifícios comerciais, distritos comerciais, áreas verdes públicas, áreas de preservação cultural e parques.
3.3 Condições Ambientais de Uso
Altitude: não superior a 1.000 m.
Temperatura ambiente: a menor é -25 °C, a mais alta é 45 °C; a média anual mais alta não ultrapassa 20 °C, e a média mensal mais alta não ultrapassa 35 °C.
Umidade relativa: a 20 °C, a média mensal mais alta não ultrapassa 90%, e a média diária mais alta não ultrapassa 95%.
Resistência a sismos: a aceleração horizontal do solo não ultrapassa 0,2 g (g representa a aceleração da gravidade), e a aceleração vertical do solo é de 0,1 g.
Intensidade de radiação solar: quando a velocidade do vento é de 0,5 m·s⁻¹, a intensidade de radiação solar não ultrapassa 0,1 W·cm⁻².
Espessura máxima de revestimento de gelo: 10 mm.
Nível de poluição: não superior ao nível III
Inclinação do solo: não superior a 3°.
Local de instalação: ao ar livre, sem riscos de explosão, incêndios, corrosão química ou vibrações severas.
Se não estiver de acordo com as condições ambientais normais de uso acima, será necessário negociar e resolver entre o usuário e o fabricante.
4 Aceitação do Protótipo da Subestação Pré-fabricada Miniaturizada Inteligente
A subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente foi prototipada pela Jiangsu Qihou Intelligent Electrical Equipment Co., Ltd. O Centro de Inspeção de Qualidade de Equipamentos de Transmissão e Distribuição de Alta Tensão da Indústria Mecânica realizou testes nos componentes principais de acordo com padrões nacionais e industriais relevantes, e os resultados dos testes foram aprovados. A State Grid Shanghai Electric Power Company realizou uma aceitação abrangente do tamanho, aparência e desempenho deste protótipo, e os resultados da aceitação foram aprovados.
5 Conclusão
A subestação pré-fabricada miniaturizada inteligente desenvolvida neste artigo integra as vantagens das subestações pré-fabricadas existentes no país e no exterior. Possui as vantagens de uma estrutura simples, pequena área ocupada, segurança e confiabilidade, beleza e proteção ambiental, isenção de inspeção e manutenção, e baixa exigência de manutenção. Tem importante valor promocional e de aplicação na construção e renovação das redes de distribuição urbana.
