Hogyan tervezzünk városi villamosenergia-hálózatokhoz alkalmas alállomásokat?

Főbb városi alállomás-tervezési korlátozások: helyigény, biztonság és esztétika

Térbeli korlátozások leküzdése nagy sűrűségű környezetekben

A hely mindig hiánycikk a városi alállomások számára, különösen akkor, ha a nagyvárosokban az ingatlanárak a Urban Land Institute legújabb adatai szerint akár egy hektáronként több mint kilenc millió dollárt is elérhetnek. A gázzal szigetelt kapcsolóberendezés (GIS) körülbelül kétharmadával csökkenti a fizikai helyigényt a hagyományos levegővel szigetelt rendszerekhez képest, ami gyakorlatilag szükségszerűvé teszi az energiaellátási infrastruktúra telepítését sűrűn beépített területeken. A moduláris megközelítés lehetővé teszi, hogy a mérnökök a transzformátorokat és egyéb berendezéseket függőlegesen, nem pedig vízszintesen helyezzék el. Az előre gyártott alállomás-egységek jelentősen felgyorsítják a munkát olyan szűk helyeken, mint az alagsori közműhelyek vagy a épületek közötti keskeny hátsó utcák. A berendezések okos elhelyezése biztosítja, hogy minden körül elegendő hely maradjon a karbantartási munkákhoz, miközben a működés napról napra zavartalanul folytatódik.

Biztonság biztosítása optimalizált földeléssel és lépéskapcsolati/fogáskapcsolati feszültség-szabályozással

A megfelelő földelési rendszerek a lépési/érintési feszültségeket a hibahelyzetek során az IEEE 80-2013 szabványok szerint 5 V alá korlátozzák. A rétegzett megközelítés a következő elemeket kombinálja:

• Mélyre beverhető földelőelektródák, amelyek elérnek az alacsony ellenállású talajrétegeket
• Minden fémes szerkezet ekvipotenciális összekötése
• Zúzott kőborítás (0,15 m mélység) a kapcsolati ellenállás növelése érdekében

A földelőháló integritásának folyamatos ellenőrzése megelőzi a korróziós meghibásodásokat – amelyek az állomások kieséseinek 17%-át okozzák (EPRI 2023). Az integrált védőrendszerek az ívkisülés-veszélyt 92%-kal csökkentik zárt, városi telepítések esetén, ahogy azt a 2024-es Elektromos Biztonsági Jelentés is megerősíti.

A helyi önkormányzati előírásoknak való megfelelés a vizuális integráció és a zajcsökkentés tekintetében

A városok az ingatlanhatárokon túl 55 dB(A) alatti zajszintet írnak elő az állomásoknál, összhangban a WHO irányelveivel. Ezt a következő módszerekkel érik el:

• Alacsony zajszintű transzformátorok (<65 dB) hangcsökkentő burkolattal
• Összetett anyagokból készült akusztikai akadályok
• Stratégiai szellőzési tervezés a rezonancia vagy zajerősítés megelőzése érdekében

Az esztétikai integráció zöld falakat, a környező épületekkel harmonizáló építészeti burkolatot és a nagyfeszültségű vezetékek alátemetését foglalja magában. Chicago Riverbank-állomása példa a sikeres vizuális mérséklésre: szellőztető szerkezetei egyben közösségi művészi alkotások is, miközben megőrzik az N+1 redundanciát.

GIS vs. AIS: A legmegfelelőbb alállomás-technológia kiválasztása városi helyszínekhez

Miért dominál a gázzal szigetelt kapcsolóberendezés (GIS) a térkorlátozott alállomások tervezésében

A gázzal szigetelt kapcsolóberendezés (GIS) különösen jól teljesít azokban a zsúfolt városi területeken, ahol az ingatlanárak kilencmillió dollárnál is többet érnek négyzetméterenként. A kompakt, zárt SF6-kamrákkal ellátott kialakítás körülbelül hetven százalékkal kevesebb helyet foglal el, mint a levegővel szigetelt kapcsolóberendezés (AIS), ami különösen fontos, amikor a transzformátorállomásoknak olyan terekbe kell illeszkedniük, amelyek mérete csupán a korábban szokásos méret harminc százaléka. Egy további nagy előny: a GIS-t nem zavarja a levegőben lebegő por vagy a tengerpart közelében található só, így a meghibásodások gyakorisága körülbelül negyven százalékkal alacsonyabb ipari létesítmények közelében vagy partvidéki területeken. A karbantartás tekintetében ezek a rendszerek tíz évnél hosszabb időt is kibírnak ellenőrzések között – ez háromszor annyi, mint a szokásos AIS-berendezések esetében. Ez idővel körülbelül 2,1 millió dolláros megtakarítást jelent, bár a kezdeti beruházási költség húsz–harminc százalékkal magasabb. Mindezek miatt a legtöbb mérnök elsőként a GIS-t választja, amikor megbízható villamosenergia-rendszereket tervez nagyvárosok, metróközpontok és kórházak számára, ahol a megbízhatóság egyáltalán nem hozható kockázatba.

Amikor a levegővel szigetelt kapcsolóberendezés (AIS) továbbra is megfelelő megoldást jelent városi felújításokhoz

A levegővel szigetelt kapcsolóberendezésnek továbbra is vannak gyakorlati alkalmazásai a régi városi hálózatokon való munkavégzés során, ahol a meglévő felépítés egyszerűbbé teszi a csatlakoztatást. Amikor azon régi alállomások bővítését vizsgáljuk, amelyek több mint 100 éve működnek – különösen az 11–33 kV-os feszültségtartományban –, a levegővel szigetelt berendezések (AIS) telepítése a múlt évi villamosenergia-hálózatok modernizálásáról szóló kutatások szerint kb. 40 százalékkal olcsóbb, mint a gázzal szigetelt kapcsolóberendezések (GIS) felújítása. Az AIS kültéri elhelyezése azt jelenti, hogy a mérnökök részről részre frissíthetik a berendezést anélkül, hogy teljesen le kellene állítaniuk az üzemeltetést – ez különösen fontos olyan területeken, ahol az áramszolgáltatók csak rövid időtartamra szüntethetik meg az áramellátást, például legfeljebb négyszer négy órára. Természetesen a GIS jobban ellenáll a nehéz időjárási körülményeknek, de az AIS elegendően jól működik olyan helyeken, ahol a por és a szennyeződés nem állandó probléma, feltéve, hogy rendszeres karbantartással tisztán tartják a berendezéseket. Továbbá, amikor átmeneti áramellátási megoldásokat állítanak fel a munka különböző fázisai közötti átállás idején, az AIS alkatrészek egyszerűbb terve lehetővé teszi a szerelőcsapatok számára, hogy kb. kétharmaddal gyorsabban indítsák újra a rendszert, mint amennyire a GIS megoldások esetében ez lehetséges lenne.

Elektromos és hőtechnikai elrendezés optimalizálása városi alállomásokhoz

Földalatti kábelek integrálása, elektromágneses interferencia (EMI) csökkentése és koordinált földelés

Egyre több városi táppont vált napjainkban alátemelt kábelezésre, mert egyszerűen nincs több hely a felsővezetékek számára, ráadásul senki sem kívánja, hogy csúnya oszlopok törjék meg a városképet. Ám itt van a csapda: az összes kábel alátemelt elhelyezése komoly elektromágneses zavarokat okozhat, amelyek zavarják a finom vezérlőrendszereket és a kommunikációs berendezéseket. E probléma kezeléséhez a mérnököknek speciális, árnyékolt kábeleket kell telepíteniük, biztosítaniuk kell a fázisok megfelelő kiegyensúlyozását a kábelek elhelyezésekor, valamint fizikailag elkülöníteniük kell az adatkábeleket az erőforrás-kábelektől. Egy másik, feltétlenül kritikus szempont a földelés megfelelő kialakítása. A táppont minden fémes részét – például a kábelburkolatokat, a csőhálózatot, sőt magát a acélvázszerkezetet is – egyetlen, nagy földelőhálózathoz kell csatlakoztatni. Ez a rendszer biztonságosan elvezeti a veszélyes villamos hibákat, és megfelel az IEEE 80-2013 szabványban meghatározott szigorú biztonsági előírásoknak a megérintési és lépésköz-feszültségek tekintetében.

Hőkezelési stratégiák zárt vagy pincében elhelyezett alállomás-konfigurációkhoz

A hőszabályozás elkerülhetetlen a térbelileg korlátozott, zárt vagy földalatti alállomásoknál—ahol a hőfelhalmozódás gyorsítja az izoláció öregedését, és csökkenti a berendezések élettartamát. Hatékony stratégiák például:

• Passzív megoldások: hőelnyelő falburkolatok, hőtömeg-integráció és optimalizált légáramlás-utak számítógépes folyadékdinamikai (CFD) modellezéssel
• Aktív hűtés: kényszerített levegővel működő rendszerek közfeszültségű berendezésekhez; folyadékhűtéses transzformátorok nagy terhelésű zónákhoz
  Proaktív hőmonitoring—beépített IoT-érzékelők és mesterséges intelligencián alapuló anomáliadetektálás segítségével—megelőzi a forró pontok kialakulását, és akár 50%-kal meghosszabbítja a berendezések élettartamát összehasonlítva a nem felügyelt környezetekkel.

Jövőbiztos városi alállomások: skálázhatóság, intelligencia és megújuló energiára való felkészültség

A városi villamos hálózatoknak lépést kell tartaniuk az elektromos járművek növekvő igényeivel, a helyi energiaellátással és az éghajlati kihívásokkal. A modern alállomás-tervek ma már moduláris elemeket tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik a szolgáltatók számára a kapacitás fokozatos bővítését, nem pedig egyszerre történő teljes építését. Ez megkönnyíti az elektromos járművek töltőállomásainak, a kis helyi energiahálózatoknak vagy az újonnan kialakított városrészeknek a csatlakoztatását jelentős zavarok nélkül. Okos technológiákat is integrálnak egyre gyakrabban: mesterséges intelligencia és internetkapcsolatos érzékelők segítségével előre jelezhetők a berendezések lehetséges meghibásodásai, valós idejű terheléselosztás végezhető, és a problémák gyorsan elkülöníthetők, így a kiesések rövidebb ideig tartanak. A szél- és napenergiához hasonló megújuló energiaforrások esetében speciális konfigurációk segítenek kezelni ezek változékonyságát, miközben a feszültség stabilitása megmarad akkor is, ha az áram mindkét irányban áramlik a hálózaton keresztül. Ezek az alkalmazkodások biztosítják, hogy kevesebb tiszta energiát vesszen el túltermelés esetén. A jövőbe tekintve azok a városok, amelyek skálázható infrastruktúrába, okos figyelőrendszerekbe és a zöld energia rugalmas befogadásába fektetnek be, erősebb alapokat teremtenek saját villamos hálózataik számára.

GYIK

Mi a fő előnye a gázzal szigetelt kapcsolóberendezések (GIS) használatának városi alállomásokon?

A GIS akár 70%-kal kevesebb helyet igényel, mint a levegővel szigetelt kapcsolóberendezések (AIS), így ideális sűrűn beépített városi környezetekben.

Hogyan biztosítják a városi alállomások a biztonságot?

Optimalizált földelési rendszerekkel, azonos potenciálú összekötéssel és folyamatos ellenőrzéssel a hibák megelőzése érdekében, valamint integrált védőrendszerek alkalmazásával az ívcsapódás kockázatának csökkentése érdekében.

Milyen stratégiákat alkalmaznak a hőkezelésre az alállomásokban?

A stratégiák közé tartoznak passzív megoldások, például a hőtömeg integrálása és aktív hűtőrendszerek, valamint proaktív hőmonitoring az IoT-érzékelők segítségével.