ارزش هسته‌ای و کاربردهای نوآورانه دستگاه قطع و بستن ولتاژ متوسط ۱۲kV در زیرстанسیون‌های هوشمند

با پیشرفت سریع شبکه‌های هوشمند و یکپارچگی انرژی‌های تجدیدپذیر، دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط (MV) به عنوان تجهیزات اصلی توزیع برق در زیرстанسیون‌ها، مستقیماً از طریق قابلیت اطمینان، هوشمندی و کارایی فضایی خود، پایداری سیستم برق را تعیین می‌کنند. این مقاله به فناوری‌های کلیدی، راه‌حل‌های مخصوص سناریوها و مزایای عملی دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط در زیرستانسیون‌ها می‌پردازد.

نیازهای اصلی سناریوهای زیرستانسیون

1. نیازهای بالای اطمینان‌پذیری

زیرستانسیون‌ها نقش حیاتی در توزیع برق و محافظت سیستم دارند. نقاط کلیدی مربوط به دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط:

• عملکرد دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط: باید عملکرد پایدار بلندمدت را تحت بارهای بالا و کلیدزنی‌های مکرر تضمین کند.
• مقایسه نرخ خرابی:

• دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط سنتی: ~1.2 خرابی/واحد/سال
• دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط هوشمند: ~0.3 خرابی/واحد/سال
  • تحمل مکانیکی: از 10,000 به بیش از 20,000 عملیات افزایش می‌یابد.
  • نیازهای قطع کوتاه مدار:
• سیستم‌های 12kV: معمولاً 31.5kA-40kA
• پروژه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر: ممکن است ≥63kA نیاز داشته باشند

2. تأسیس در محیط‌های پیچیده

زیرستانسیون‌ها در شهرها، مناطق صنعتی یا مناطق دورافتاده چالش‌های منحصر به فردی برای دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط ایجاد می‌کنند:

• ارتفاعات بالا: اصلاحات فاصله الکتریکی (به عنوان مثال، سیستم‌های 12kV در ارتفاع 5000 متر نیاز به افزایش فاصله از 125mm به 161mm دارند).
• مناطق آلوده: فاصله خزش باید افزایش یابد (به عنوان مثال، ≥25mm/kV برای آلودگی رده III).
• مناطق ساحلی: باید آزمون‌های اسپری شور را عبور کنند (به عنوان مثال، آزمون CASS 1000 ساعته).
• دمای بالا و رطوبت: سیستم‌های هوشمند خشک کننده ضروری هستند.

3. نیازهای به‌روزرسانی هوشمندی

تحول دیجیتال نیاز به عملکردهای هوشمند در دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط را افزایش می‌دهد:

• پشتیبانی از پروتکل ارتباطی IEC 61850 برای به اشتراک گذاری داده و کنترل دور.
• نظارت بر وضعیت (دمای، جریان، وضعیت مکانیکی)، پیش‌بینی خرابی و تشخیص دور کاهش هزینه‌های نگهداری را فراهم می‌کند.

• مطالعات نشان می‌دهند که سیستم‌های نظارت هوشمند می‌توانند:
  • فرکانس بازدید دستی را 70% کاهش دهند.
  • عمر تجهیزات را تا 3 برابر افزایش دهند.
  • هزینه‌های نگهداری سالانه را 35% کاهش دهند.

4. نیازهای حفاظت ایمنی و لرزه‌ای

استانداردهای ایمنی سختگیرانه برای دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط:

• سیستم قفل‌بندی "پنج پیشگیری": جلوگیری از خطاهای حیاتی (به عنوان مثال، حرکت کلیدزن در زیر بار).
• حفاظت از قوس داخلی: کانال‌های تخلیه فشار محدود کننده فشار اوج به ≤48kPa.
• طراحی لرزه‌ای: باید زلزله‌های با شدت بالا (به عنوان مثال، تغییر شکل ≤1.2mm در شدت لرزه 9 درجه) را تحمل کند.

5. محدودیت‌های فضایی و بهینه‌سازی چیدمان

     طراحی‌های ماژولار برای استفاده موثر از فضا:

• دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط مدرن با استفاده از ستون‌های عایق‌بندی جامد فضای مورد نیاز را 37.5% کاهش و مقاومت مدار اصلی را بیش از 40% کاهش می‌دهند.        

راه‌حل‌های فنی کلیدی

1. دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط با پوشش فلزی (نماینده KYN28)

• مزیت ساختاری: اتاق‌های جدا شده مسلح (کلیدزن، مادر برق، کابل) جلوگیری از گسترش خطا می‌کنند.
• تأسیس در محیط: درجه حفاظت IP4X یا بالاتر، مناسب برای مناطق آلوده و مرطوب.
• سهم بازار: بازار را غالب می‌کند (>60%)، گزینه اصلی برای زیرستانسیون‌ها.

2. سیستم‌های کنترل هوشمند برای دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط

• عملکردهای اصلی:

• رله‌های حفاظتی مبتنی بر میکروپروسسور همگام‌سازی‌پذیر با IEC 61850.
• نظارت در زمان واقعی با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای پیش‌بینی عمر مؤلفه‌ها (به عنوان مثال، تحمل مکانیکی کلیدزن تا 100,000 عملیات).
  • اثرات موردی: یک پروژه شبکه دولتی نرخ خرابی را 30% و هزینه‌های نگهداری را 20% کاهش داد.

3. حفاظت ایمنی در دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط

• سیستم قفل‌بندی "پنج پیشگیری": توالی عملیات ایمن را اعمال می‌کند.
• حفاظت از قوس خروجی: کانال‌های تخلیه فشار و سیستم‌های خاموش‌کننده قوس.   

سناریوهای کاربردی معمول و موارد مطالعه

1. مورد 1: به‌روزرسانی زیرستانسیون شهری
   • چالش: گسترش زیرستانسیون‌های قدیمی با رشد بار بالا.
   • راه‌حل:

• نصب دستگاه‌های کلیدزنی عایق‌بندی گازی (GIS) با جریان اسمی 4000A، که 30% فضا را صرفه‌جویی می‌کند.
• اجرای یک پلتفرم ابری برای مدیریت دور.
  • نتایج: قابلیت اطمینان تأمین برق 15% افزایش یافت؛ مدت قطع برق 40% کاهش یافت.

2. مورد 2: اتصال شبکه پلانت انرژی تجدیدپذیر (مزرعه بادی)

• چالش: محیط سخت (مقدار بالای نم، نوسانات دمایی) که باعث خرابی می‌شود.
• راه‌حل:

• افزایش دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط با پوشش فلزی با حفاظت IP54 و گرم‌کن‌های داخلی.
• ماژول‌های کلیدزنی بار ظرفیتی برای پایداری انرژی بادی.
  • نتایج: نرخ موفقیت اتصال شبکه 15% افزایش یافت؛ هزینه‌های عملیاتی 10% کاهش یافت.

روند آینده: راه‌حل‌های سبزتر و دیجیتال توئین

1. دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط سازگار با محیط زیست
   • حذف SF₆ و استفاده از تکنولوژی ترکیبی عایق‌بندی با هوا خشک یا نیتروژن.
   • مواد عایق‌بندی جدید کارایی انرژی را 20% افزایش می‌دهند.

2. یکپارچه‌سازی دیجیتال توئین برای دستگاه‌های کلیدزنی ولتاژ متوسط

• استفاده از مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM) برای تست قبل از نصب.
• آینه‌سازی داده‌های زنده بهینه‌سازی توزیع بار و افزایش عمر را فراهم می‌کند.