Как да се проектират трансформаторни подстанции, подходящи за градските електрически мрежи?

Основни ограничения при проектирането на градски трансформаторни подстанции: пространство, безопасност и естетика

Преодоляване на пространствените ограничения в среда с висока плътност

Пространството винаги е ограничено за градските трансформаторни подстанции, особено когато цените на земята в големите градове могат да достигнат над девет милиона долара на акър според последните данни от Института за градски земи. Газоизолираното разпределително устройство намалява нуждата от физическо пространство с приблизително две трети спрямо традиционните въздушно изолирани системи, което го прави практически задължително за инсталиране на енергийна инфраструктура в гъсто застроени райони. Модулният подход позволява на инженерите да подреждат трансформаторите и другото оборудване вертикално, вместо да ги разполагат хоризонтално. Предварително изработените подстанционни блокове значително ускоряват процеса при работа в стеснени места като подземни технически помещения или тесни задни улички между сгради. Умното разположение на цялото оборудване гарантира достатъчно пространство около всяка част за извършване на поддръжка, без да се компрометира непрекъснатата и гладка работа ден след ден.

Осигуряване на безопасността чрез оптимизирано заземяване и контрол на напрежението при стъпка/допир

Правилните системи за заземяване ограничават стъпковите/допирните потенциали под 5 V по време на повреди, съгласно стандарта IEEE 80-2013. Използва се многослойен подход, който включва:

• Дълбоко забити електроди, достигащи до пластове почва с ниска резистивност
• Уравнително свързване на всички метални конструкции
• Повърхностно покритие от чакъл (с дебелина 0,15 m) за увеличаване на контактното съпротивление

Непрекъснат мониторинг на цялостта на заземителната мрежа предотвратява повреди от корозия — които причиняват 17 % от прекъсванията в подстанции (EPRI, 2023 г.). Интегрираните системи за защита намаляват рисковете от дъгов разряд с 92 % при затворени градски инсталации, както е потвърдено в Доклада за електрическа безопасност от 2024 г.

Съответствие с общинските изисквания за визуална интеграция и намаляване на шума

Градовете предписват нивата на шум от подстанции да бъдат под 55 dB(A) по граничните линии на имотите, в съответствие с насоките на Световната здравна организация (СЗО). Това се постига чрез:

• Тихи трансформатори (<65 dB) с шумопоглъщащи корпуси
• Акустични бариери от композитни материали
• Стратегично проектирана вентилация, за да се предотврати резонанс или усилване на шума

Естетичната интеграция включва зелени стени, архитектурно облицовка, съвместима с околните сгради, и подземяване на високоволтовите линии. Подстанцията Riverbank в Чикаго е пример за успешна визуална намаляване на въздействието — нейните вентилационни конструкции изпълняват едновременно функцията на публични художествени инсталации и запазват резервност N+1.

ГИС срещу АИС: Избор на оптимална технология за подстанции на градски терени

Защо газоизолираното разпределително устройство (ГИС) доминира в проектирането на подстанции при ограничено пространство

Газоизолираните превключвателни уреди наистина се отличават в тези натъпкани градски райони, където цените на недвижимото имущество надхвърлят девет милиона долара на акър. Компактният дизайн с герметичните камери, изпълнени с SF6, заема около 70% по-малко място в сравнение с въздушноизолираните превключвателни уреди, което е от голямо значение, когато подстанциите трябва да се поберат в пространства, които са само 30% от обичайните размери преди. Друго важно предимство? ГИП не се повреждат от прах във въздуха или от сол, идваща от близките крайбрежни зони, поради което отказите се случват приблизително с 40% по-рядко в райони до фабрики или по крайбрежието. Когато става дума за поддръжка, тези системи могат да работят повече от десет години между проверки — три пъти по-дълго от обичайните ВИП-уреди. Това води до спестявания от около 2,1 милиона долара с течение на времето, въпреки че първоначалната цена е с 20–30% по-висока. Поради всичко това повечето инженери предпочитат ГИП като първи избор при проектирането на електроенергийни системи за големи градове, метростанции и болници, където надеждността просто не може да се компрометира.

Когато въздушно изолираното разпределително устройство (AIS) остава жизнеспособно за модернизиране на градските електрически мрежи

Въздушно изолираното разпределително устройство все още намира реални приложения при работа с по-старите градски електрически мрежи, където съществуващата инфраструктура улеснява директното включване. При разглеждане на разширението на тези старинни подстанции, които съществуват от повече от 100 години – особено в диапазона 11–33 kV – инсталирането на оборудване AIS всъщност струва около 40 % по-малко в сравнение с модернизацията на GIS системи, според последните проучвания от изследването за модернизация на електрическите мрежи през миналата година. Това, че AIS се намира отвън, означава, че инженерите могат да обновяват отделни компоненти постепенно, без да изискват пълно изключване на захранването – което е от голямо значение в райони, където електроснабдителните компании имат право да прекъсват тока само за кратки периоди, може би само по четири часа наведнъж. Разбира се, GIS по-добре издържа сурови атмосферни условия, но AIS работи напълно задоволително в места, където прахът и мръсотията не са постоянен проблем, стига редовното поддръжане да осигурява чистотата на оборудването. А при създаване на временни решения за захранване по време на преход между различните етапи на строителни или модернизационни работи по-простият дизайн на AIS компонентите позволява на екипите да възстановят захранването около две трети по-бързо в сравнение с възможностите на GIS опциите.

Оптимизация на електрическата и топлинната компоновка за градски подстанции

Интеграция на подземни кабели, намаляване на електромагнитните смущения и координирано заземяване

Все повече градски електрически подстанции преминават към подземно кабелно захранване в наши дни, тъй като просто няма достатъчно място за надземни линии, а освен това никой не иска онези грозни стълбове да засоряват градските пейзажи. Но ето проблема – прокарването на всички тези кабели под земята може да предизвика сериозни проблеми с електромагнитните смущения, които нарушават чувствителните системи за управление и комуникационното оборудване. За да се реши този проблем, инженерите трябва да инсталират специални екранирани кабели, да гарантират правилното балансиране на електрическите фази при полагането им и да поддържат физическо разделяне между информационните кабели и силовите линии. Друг аспект, който е напълно критичен, е правилното изпълнение на заземяването. Всички метални части в подстанцията – включително кабелните обвивки, тръбните мрежи и дори стоманената конструкция – трябва да бъдат свързани помежду си в една обща заземителна мрежа. Тази конфигурация помага безопасно да се отвеждат всички опасни електрически повреди и отговаря на строгите изисквания за безопасност, посочени в стандарта IEEE 80-2013 относно напреженията при допир и стъпка.

Стратегии за термично управление при затворени или разположени в подземни етажи конфигурации на трансформаторни подстанции

Термичният контрол е задължителен при трансформаторни подстанции с ограничено пространство, затворени или разположени под нивото на земята — където натрупването на топлина ускорява деградацията на изолацията и намалява срока на експлоатация на оборудването. Ефективните стратегии включват:

• Пасивни решения: стени с облицовка, поглъщаща топлина, интегриране на термична маса и оптимизирани пътища за въздушния поток чрез моделиране с използване на компютърна динамика на течностите (CFD)
• Активно охлаждане: системи с принудителна вентилация за среднонапрежени компоненти; трансформатори с течностно охлаждане за зони с високо натоварване
  Превантивен термичен мониторинг — чрез вградени IoT сензори и AI-управлявано откриване на аномалии — предотвратява образуването на горещи точки и удължава срока на експлоатация на активите до 50 % спрямо среда без управление.

Бъдещеустойчивост на градските трансформаторни подстанции: мащабируемост, интелигентност и готовност за възобновяема енергия

Градските електрически мрежи трябва да вървят крачка с нарастващите изисквания от електромобилите, локалното производство на енергия и климатичните предизвикателства. Съвременните проекти на трансформаторни подстанции вече включват модулни компоненти, които позволяват на електроснабдителните компании постепенно да разширяват мощността си, вместо да строят всичко наведнъж. Това улеснява свързването на зарядни станции за електромобили, малки локални електрически мрежи или новоизградени квартали, без значителни прекъсвания в експлоатацията. Интегрират се и интелигентни технологии — изкуственият интелект и сензорите, свързани към интернет, помагат да се прогнозира кога оборудването може да излезе от строя, да се балансират електрическите натоварвания в реално време и бързо да се изолират повредите, така че прекъсванията да не продължават толкова дълго. За възобновяеми енергийни източници като вятъра и слънцето се прилагат специални конфигурации, които помагат да се справят с непредсказуемия им характер, като в същото време поддържат стабилно напрежение дори когато електроенергията тече напред-назад през мрежата. Тези адаптации гарантират, че ще губим по-малко чиста енергия при излишък от производство. При поглед напред градовете, които инвестираха в мащабируема инфраструктура, интелигентни системи за мониторинг и гъвкавост за зелена енергия, ще създадат по-здрави основи за своите електрически мрежи.

Често задавани въпроси

Каква е основната предимство при използването на газоизолирани превключвателни уреди (GIS) в градските подстанции?

GIS изисква до 70 % по-малко място в сравнение с въздушноизолирани превключвателни уреди (AIS), което го прави идеален за плътно застроени градски среди.

Как градските подстанции осигуряват безопасност?

Чрез оптимизирани системи за заземяване, еквипотенциално свързване и непрекъснат мониторинг за предотвратяване на повреди, както и чрез използване на интегрирани защитни системи за намаляване на риска от дъгов удар.

Какви стратегии се използват за термичното управление в подстанциите?

Стратегиите включват пасивни решения като интегриране на топлинна маса и активни охладителни системи, както и проактивен термичен мониторинг чрез IoT сензори.