Мобильные трансформаторные подстанции: объяснение, номинальные параметры, ограничения при транспортировке и реагирование на штормы

Мобильные трансформаторные подстанции: объяснение, номинальные параметры, ограничения при транспортировке и реагирование на штормы

 

Штормовой прилив в районе подстанции на 138 кВ. Трансформатор для линий электропередачи со сроком поставки четырнадцать месяцев. Город, работающий на дизельных генераторах. Когда эти три события происходят в одну и ту же неделю, специалисты по планированию энергосистем перестают искать более мощный трансформатор и начинают задавать более сложный вопрос: что можно быстро доставить и ввести в эксплуатацию? Эту задачу выполняет мобильный трансформатор подстанции , а ограничения, определяющие его работоспособность, почти не связаны с цифрой на табличке.

Большинство этих ограничений находятся там, где инженеры-электрики обычно не ищут: на шоссе.

 

 

 

Что такое мобильный трансформатор подстанции

 

В технической презентации Общества энергетики и силовой электроники IEEE (IEEE Power & Energy Society) это оборудование описывается так, как его описывают бригады на местах — подстанция на колёсах. Единственный прицеп содержит трансформатор вместе с оборудованием охлаждения, защитой цепей высокого и низкого напряжения, измерительными приборами, реле, вспомогательными источниками переменного и постоянного тока, а также защитой от перенапряжений; всё это уже смонтировано, протестировано и готово к подключению.

Существует два варианта комплектации, и покупатели постоянно их путают. В полной мобильный трансформатор подстанции комплектации высоковольтное коммутационное оборудование размещается на том же прицепе. При использовании только мобильного трансформатора на одном прицепе размещается исключительно сам трансформатор, а высоковольтное оборудование — на втором прицепе; такой подход применяется в большинстве проектов, когда номинальная мощность (в МВА) должна оставаться высокой, но габариты транспортного средства не позволяют разместить дополнительное оборудование. Второй вариант обеспечивает повышенную мощность, но требует второго тягача и увеличивает время монтажа.

Независимо от выбранной комплектации всегда присутствуют одни и те же пять узлов: высоковольтный блок, трансформатор с системой охлаждения, низковольтный блок, шкаф управления и защиты с вспомогательным питанием, а также прицеп, спроектированный специально под эти четыре узла.

 

Параметр, ограничивающий мобильную установку, — это масса, а не номинальная мощность в МВА

 

Вот та часть, которую чаще всего упускают из виду покупатели. Мобильные подстанции, как правило, имеют номинальную мощность 60 МВА и менее — не из-за ограничений изоляции, а из-за ограничений дорожного движения. В материалах IEEE PES прямо указано, что комбинации МВА и напряжения ограничены массой и габаритами при транспортировке.

В Соединённых Штатах федеральный закон устанавливает предельную нагрузку на одну ось — 20 000 фунтов, на тандемную ось — 34 000 фунтов и общую массу транспортного средства — 80 000 фунтов на межштатных автомагистралях; при этом формула расчёта нагрузки на мосты может дополнительно снижать эти значения в зависимости от расстояния между осями. Правила опубликованы на Странице FHWA «Мостовая формула: допустимые массы» . Теперь представьте, что вы размещаете силовой трансформатор на 138 кВ на прицепе и пытаетесь уложиться в эти ограничения. Трансформатор является самым крупным, самым тяжёлым и самым дорогим элементом установки, поэтому трансформатор на прицепе данного класса проектируется исходя из бюджета массы, а не из чертежа обмоток.

Высота и ширина также имеют значение. Стандартный мобильный блок имеет ширину примерно 8 футов 6 дюймов и высоту 13 футов 6 дюймов. Превышение этих значений переводит блок в категорию крупногабаритных и тяжеловесных грузов — требуются обследования маршрутов, сопровождение и ограничения по времени перевозки. Именно такую документацию коммунальное предприятие стремится избежать в ходе восстановление аварийного электроснабжения .

 

Параметр	Традиционный трансформатор подстанции	Мобильный трансформатор подстанции
Диапазон номинальных значений	833 кВА и выше, однофазный	Обычно не более 60 МВА, ограничено возможностями транспортировки
Определяющее ограничение	Изоляция, тепловая нагрузка и способность выдерживать короткое замыкание	Нагрузка на ось, общая масса транспортного средства, габариты транспортного средства
Процентное значение импеданса	Значения по стандарту ANSI/IEEE	Обычно примерно в 2 раза выше стандартных значений
Охлаждение	ONAN или ONAF, статический режим	ODAF, насосы и вентиляторы включены вместе с устройством
Повышение температуры обмотки	типично 55 °C или 65 °C	95 °C при использовании гибридной изоляции Nomex для снижения массы
Резиновые опоры	Стандартная высота, воздушное или масляное охлаждение	Установка снизу; полимерные материалы там, где важна масса
Потери и шум	Оценено и оптимизировано	Потери, которые обычно не оцениваются; звук по стандарту NEMA
Коммутация высокого напряжения	Фиксированная структура подстанции	Тот же прицеп или второй прицеп при высокой мощности (MVA)

 

 

Пять технических решений, определяющих работоспособность устройства

 

Стандарт IEEE C57.12.10, наиболее часто цитируемый покупателями для маслонаполненных силовых трансформаторов, прямо исключает мобильные трансформаторы из своей области применения, поскольку Страница стандартов IEEE указывает на это. Следовательно, спецификация мобильного устройства не может унаследовать проектные допущения стационарного подстанционного устройства. Пять решений несут основной риск.

• Сопротивление короткого замыкания. Мобильные устройства, как правило, имеют значение процентного сопротивления короткого замыкания примерно вдвое превышающее стандарт ANSI для аналогичной мощности, что влияет на регулирование напряжения и распределение нагрузки при параллельной работе устройства с существующим трансформатором.
• Охлаждение. Система охлаждения ODАF с включёнными насосами и вентиляторами всякий раз, когда включён трансформатор. Без работающих систем охлаждения агрегат не может нести нагрузку вообще. Заложена избыточность: при выходе из строя одного насоса правильно спроектированный блок охладителей по-прежнему способен неограниченно долго выдерживать примерно 70 % номинальной нагрузки.
• Повышением температуры. Повышение температуры обмоток до 95 °C при использовании модернизированной гибридной изоляции на основе Nomex позволяет снизить массу и габариты без потери расчётного срока службы.
• Уровень изоляции. Снижение высоковольтного импульсного напряжения (BIL) — один из самых эффективных способов уменьшения массы. Низковольтное импульсное напряжение (BIL) обычно сохраняется на максимальном уровне — до 25 кВ и 150 кВ BIL.
• Регулирование напряжения. Регулирование напряжения со стороны низкого напряжения (LV) с помощью переключателя ответвлений под нагрузкой (LTC), как правило, в диапазоне ±10 % с шагом регулирования ±16. Наличие нескольких уровней напряжения на стороне НН выглядит гибким на бумаге, пока для охвата всего диапазона не требуется последовательный трансформатор — а такой трансформатор вновь увеличивает массу и габариты, добавляя их прямо на прицеп.

Паттерн повторяется. Каждый выбор, повышающий электрическую гибкость, увеличивает массу в килограммах, а килограммы — это единственный параметр с юридически установленным пределом. Конструкции, игнорирующие это ограничение, неизбежно превращаются в проекты с двумя прицепами — независимо от того, предусматривал ли покупатель такую конфигурацию или нет. Те же физические законы задокументированы в презентации IEEE PES мобильной подстанции , в которой подробно рассматриваются реальные блоки мощностью 40 МВА и 45 МВА, а также компромиссы по массе, лежащие в их основе.

 

Где мобильный блок оправдывает своё существование

 

Реагирование на штормы и наводнения — восстановление аварийного электроснабжения на языке большинства закупочных документов коммунальных предприятий — это тот сценарий применения, который внутренне обосновывает саму концепцию. Плановые работы обеспечивают менее заметную, но устойчивую отдачу: блок, обходящий трансформатор в ходе программы технического обслуживания, сохраняет электроснабжение потребителей во время проведения работ, тем самым исключая политическую цену, связанную с запланированным отключением.

• Обход трансформатора в ходе планового технического обслуживания, инспекции или испытаний
• Аварийная замена после отказа трансформатора или коммутационного оборудования
• Временная мощность в период проектирования и строительства постоянной подстанции
• Услуги по обеспечению избыточной мощности в период сезонных пиков или при вводе электростанций в эксплуатацию
• Основное энергоснабжение изолированных районов и удалённых строительных площадок
• Резервное питание в районах с высоким риском землетрясений, наводнений или вооружённых конфликтов, угрожающих стационарной инфраструктуре
• Разогрев высоковольтных линий электропередачи для предотвращения обледенения в условиях экстремально низких температур

Коммерческая логика несложна. A мобильный трансформатор подстанции который простаивает одиннадцать месяцев, а затем восстанавливает работу за один месяц, уже окупился, поскольку альтернативой является реконструкция подстанции, сроки которой исчисляются годами.

 

Детали, касающиеся полевых условий, которые большинство покупателей узнают слишком поздно

 

Энергоснабжающая компания в регионе побережья Мексиканского залива запросила у нас коммерческое предложение на передвижной трансформатор напряжением 138 кВ на одном прицепе. Техническое задание составило тридцать страниц и упоминало автомобильные дороги всего один раз. Первым шагом нашей проектной группы стало не выбор магнитопровода — а расчёт транспортной нагрузки. Распределение массы определяет положение трансформатора на платформе прицепа, а это решение ограничивает все последующие чертежи.

В ходе беседы был пересмотрен проект. Количество осей и расстояние между ними были указаны на чертеже до намотки. В результате проектирования прицепа получились управляемые оси, пневматическая подвеска и гидравлическая система выравнивания, а также упорные башмаки, чтобы установка оставалась неподвижной после отсоединения тягача. Тягач заказчика также вошёл в наш объём работ, поскольку прицеп и тягач в совокупности должны соответствовать требованиям дорожных правил штатов и округов, где будет эксплуатироваться установка.

Три вопроса теперь задаются в каждой мобильной коммерческой заявке, которую мы составляем: какое первичное напряжение и мощность в МВА должна обеспечивать установка? По каким штатам и маршрутам она будет перемещаться и кому принадлежит тягач? И сколько вторичных напряжений действительно требуется на объекте — ведь каждое дополнительное напряжение может потребовать установки последовательного трансформатора на платформу?

 

 

 

Как компания Ryan Electric подходит к мобильным проектам

 

Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года и с 2023 года работает в качестве официального партнёра по совместному предприятию с Eaton. Завод занимает площадь 120 000 квадратных метров, оснащён более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и обладает 37 патентами; мы выпускаем как маслонаполненные, так и сухие трансформаторы. Та же логика расчёта по массе применяется и в нашей североамериканской трансформатор, установленный на постаменте линейке: несколько сотен килограммов определяют, будет ли конструкция отгружаться в стандартной комплектации или потребуется кран на месте монтажа. Сертификация охватывает стандарты UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE; каждый трансформатор поставляется с данными рутинных испытаний — коэффициент трансформации, сопротивление обмоток, импеданс, потери холостого хода, потери нагрузки и диэлектрические испытания.

При проектировании мобильных решений наши инженеры начинают с габаритов транспортировки и продвигаются внутрь: масса транспортного средства, расстояние между осями, ограничения дороги, а затем — электрические параметры. Если ваш маршрут исключает использование одного прицепа, мы предпочтём сообщить вам об этом до того, как предложить номинал, который вы не сможете законно перевезти. A трансформатор на прицепе не является стандартным агрегатом, устанавливаемым на плоскую платформу; прицеп и трансформатор разрабатываются как единый комплекс — начиная с первого эскиза. Такой же дисциплинированный подход мы применяем и к трансформатор, установленный на постаменте трансформатору, спроектированному под конкретный корпус, требуемый зазор и стандарты подстанции.

 

Планирование до начала следующего сезона штормов

 

Мобильные агрегаты заказывают энергокомпании, уже пережившие тяжёлую неделю; сроки поставки не позволяют ждать приближения шторма. Если вы рассматриваете такую возможность, направьте нам значения первичного и вторичного напряжений, требуемую мощность в МВА, конфигурацию низковольтной стороны и штаты, по которым будет перемещаться агрегат. Мы предоставим вам расчётный весовой лимит, схему компоновки прицепа и документацию по испытаниям — всё это вы сможете передать собственным специалистам по проектированию линий электропередачи. Наша команда по силовым трансформаторам готова ответить на ваши запросы через нашу страницу контактов .

Об авторе: Эта статья написана инженерной командой компании Ryan Electric — партнёра Eaton по совместному предприятию и производителя трансформаторов, сертифицированного UL/CSA, расположенного в Цзянсу, Китай, который обслуживает клиентов из сферы электроснабжения, центров обработки данных и промышленности в Северной Америке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии и Африке.