Valore fondamentale e applicazioni innovative degli armadi di media tensione 12kV nelle sottostazioni intelligenti

Con lo sviluppo rapido delle smart grid e l'integrazione di energia rinnovabile, l'apparato di commutazione a media tensione (MT), come equipaggiamento centrale di distribuzione dell'energia nelle sottostazioni, determina direttamente la stabilità del sistema elettrico attraverso la sua affidabilità, intelligenza ed efficienza spaziale. Questo articolo approfondisce le tecnologie chiave, le soluzioni specifiche per scenari e i benefici pratici degli apparati di commutazione a media tensione nelle sottostazioni.

Requisiti fondamentali per gli scenari di sottostazione

1. Alti requisiti di affidabilità

Le sottostazioni svolgono un ruolo cruciale nella distribuzione dell'energia e nella protezione del sistema. Punti chiave relativi agli apparati di commutazione a media tensione:

• Operatività degli apparati di commutazione MT: Deve garantire una performance stabile a lungo termine sotto carichi elevati e frequenti commutazioni.
• Confronto dei tassi di guasto:

• Apparati di commutazione a media tensione tradizionali: ~1,2 guasti/unità/anno
• Apparati di commutazione a media tensione intelligenti: ~0,3 guasti/unità/anno
  • Resistenza meccanica: Aumenta da 10.000 a oltre 20.000 operazioni.
  • Requisiti di interruzione di cortocircuito:
• Sistemi a 12 kV: Tipicamente 31,5 kA-40 kA
• Progetti di energia rinnovabile: Potrebbero richiedere ≥63 kA

2. Adattabilità a ambienti complessi

Le sottostazioni in città, aree industriali o regioni remote impongono sfide uniche agli apparati di commutazione a media tensione:

• Quota elevata: Correzioni di distanza elettrica (ad esempio, sistemi a 12 kV a 5000 m di altitudine richiedono un aumento della distanza di isolamento da 125 mm a 161 mm).
• Aree inquinate: La distanza di strisciamento deve aumentare (ad esempio, ≥25 mm/kV per la classe III di inquinamento).
• Aree costiere: Devono superare i test di spruzzo salino (ad esempio, test CASS di 1000 ore).
• Alta temperatura e umidità: Sistemi di deumidificazione intelligenti sono essenziali.

3. Richieste di aggiornamento all'intelligenza

La trasformazione digitale aumenta la domanda di funzioni intelligenti negli apparati di commutazione a media tensione:

• Supporta il protocollo di comunicazione IEC 61850 per la condivisione di dati e il controllo remoto.
• Monitoraggio dello stato (temperatura, corrente, stato meccanico), previsione di guasti e diagnosi remote riducono i costi di manutenzione.

• Gli studi mostrano che i sistemi di monitoraggio intelligenti possono:
  • Ridurre la frequenza delle ispezioni manuali del 70%.
  • Estendere la durata della vita dell'equipaggiamento fino a 3 volte.
  • Ridurre i costi di manutenzione annuali del 35%.

4. Requisiti di sicurezza e sismici

Standard di sicurezza rigorosi per gli apparati di commutazione a media tensione:

• Sistema di interlock "cinque-prevenzioni": Previene errori critici (ad esempio, muovere l'interruttore sotto carico).
• Protezione contro l'arco interno: Canali di rilascio di pressione limitano la pressione massima a ≤48 kPa.
• Progettazione antisismica: Deve resistere a terremoti ad alta intensità (ad esempio, deformazione ≤1,2 mm con intensità sismica di 9 gradi).

5. Vincoli spaziali e ottimizzazione del layout

     Design modulare per un utilizzo efficiente dello spazio:

• Gli apparati di commutazione a media tensione moderni con pali isolati solidi riducono l'impronta di circa il 37,5% e diminuiscono la resistenza del circuito principale di oltre il 40%.        

Soluzioni tecnologiche chiave

1. Apparati di commutazione a media tensione chiusi in cassa metallica (rappresentati da KYN28)

• Vantaggio strutturale: Compartimenti blindati separati (interruttore, busbar, cavo) impediscono la propagazione di guasti.
• Adattabilità ambientale: Classificazione di protezione IP4X o superiore, adatta per aree inquinate e umide.
• Quota di mercato: Dominano il mercato (>60%), scelta mainstream per le sottostazioni.

2. Sistemi di controllo intelligente per apparati di commutazione a media tensione

• Funzioni principali:

• Relè di protezione basati su microprocessore compatibili con IEC 61850.
• Monitoraggio in tempo reale utilizzando algoritmi di IA per prevedere la durata dei componenti (ad esempio, resistenza meccanica dell'interruttore fino a 100.000 operazioni).
  • Efficacia del caso: Un progetto della State Grid ha ridotto i tassi di guasto del 30% e i costi di manutenzione del 20%.

3. Protezione della sicurezza negli apparati di commutazione a media tensione

• Mechanismo di interlock "cinque-prevenzioni": Impone sequenze operative sicure.
• Protezione contro l'arco elettrico: Canali di rilascio di pressione integrati e sistemi di spegnimento dell'arco.   

Scenari di applicazione tipici e studi di caso

1. Caso 1: Aggiornamento di una sottostazione urbana
   • Sfida: Espansione di vecchie sottostazioni con crescita elevata del carico.
   • Soluzione:

• Implementazione di apparecchiature a gas isolate (GIS) con corrente nominale di 4000 A, risparmiando il 30% dello spazio.
• Implementazione di una piattaforma cloud per la gestione remota.
  • Risultati: L'affidabilità dell'approvvigionamento elettrico è aumentata del 15%; la durata delle interruzioni è diminuita del 40%.

2. Caso 2: Connessione alla rete di una centrale elettrica da energie rinnovabili (parco eolico)

• Sfida: Ambiente ostile (alta nebbia salina, fluttuazioni di temperatura) che causa guasti.
• Soluzione:

• Potenziamento degli apparati di commutazione a media tensione chiusi in cassa metallica con protezione IP54 e riscaldatori incorporati.
• Moduli di commutazione di carico capacitivo per energia eolica stabile.
  • Risultati: Il tasso di successo della connessione alla rete è migliorato del 15%; i costi operativi sono stati ridotti del 10%.

Tendenze future: soluzioni più ecologiche e gemelli digitali

1. Apparati di commutazione a media tensione eco-friendly
   • Eliminazione del SF₆, utilizzo di aria secca o tecnologia ibrida isolante a base di azoto.
   • Nuovi materiali isolanti migliorano l'efficienza energetica del 20%.

2. Integrazione di gemelli digitali per gli apparati di commutazione a media tensione

• Utilizzo del Building Information Modeling (BIM) per i test pre-installazione.
• Replica in tempo reale dei dati ottimizza la distribuzione del carico e estende la durata della vita.