Angesichts der zunehmenden Urbanisierung und der immer knapper werdenden Landressourcen sind unterirdische Umspannwerke zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner städtischer Energieinfrastruktur geworden. Als Kernkomponenten von Umspannwerken stehen Transformatoren bei der Installation und dem Betrieb unterirdisch vor zahlreichen besonderen Herausforderungen. Dieser Artikel untersucht detailliert die wichtigsten Umgebungsbedingungen für die Installation von Transformatoren in städtischen unterirdischen Umspannwerken und unterstützt Energieplaner, Ingenieure und Wartungspersonal beim besseren Verständnis dieser speziellen technischen Spezifikationen.

 

Inhalt

1. Anforderungen an Temperatur- und Belüftungskontrolle

Das wichtigste Merkmal einer unterirdischen Umspannstation ist ihre geschlossene Bauweise, die erhebliche Herausforderungen für die Wärmeabfuhr der Transformatoren mit sich bringt. Im Gegensatz zu oberirdischen Umspannstationen fehlt es unterirdisch an natürlicher Konvektion, wodurch sich Wärme leicht stauen kann. Dies kann zu einer Überhitzung der Transformatoren führen und in der Folge die Isolationsleistung und Lebensdauer beeinträchtigen.

Die Maßnahmen zur Temperaturkontrolle müssen Folgendes umfassen:

● Zwangslüftungssysteme:

 Verwenden Sie mechanische Lüftungssysteme mit Axialventilatoren und Luftkanälen. Halten Sie die Umgebungstemperatur gemäß den Empfehlungen des IEEE-Standards C57.91-2011 unter 40 °C.

Die Berechnung des Belüftungsluftvolumens erfolgt nach folgender Formel:

Q = H / (ρ ×Cp× ΔT)

Wobei Q das benötigte Luftvolumen (m³/s) ist

H ist der Gesamtverlust des Transformators (W).

ρ ist die Luftdichte (ca. 1.2 kg/m³).

Cp ist die spezifische Wärmekapazität von Luft (ca. 1005 J/kg·K).

ΔT ist der zulässige Temperaturanstieg (typischerweise 15 K).

 

● Klimaanlagen-Kältesysteme:

Reicht die Belüftung allein nicht aus, sind separate Klimaanlagen erforderlich. Die Kühlleistung muss, unter Berücksichtigung redundanter Auslegung, der Wärmeerzeugung bei maximaler Last des Transformators entsprechen.

● Temperaturüberwachungsnetzwerk:

Um die Temperaturspitzen in Echtzeit zu überwachen und die Einhaltung der Anforderungen der Norm IEC 60076-7 sicherzustellen, werden mehrere Temperatursensoren rund um den Transformator eingesetzt.

Transformatorleistung (kVA)	Mindestbelüftung (m³/h)	Empfohlene Belüftungsmethode	Temperaturregelungsstandard
≤ 1000	1500 - 3000	Natürlicher + Axiallüfter	≤ 40 ° C.
1000 - 5000	3000 - 8000	Mechanische Zwangsbeatmung	≤ 38 ° C.
≥ 5000	≥ 10000	Mechanische + Klimaanlagenunterstützung	≤ 35 ° C.

Tabelle 1: Anforderungen an Lüftungssysteme für Transformatoren unterschiedlicher Leistung

2. Anforderungen an Feuchtigkeit, Wasserdichtigkeit und Nässeschutz

Die relative Luftfeuchtigkeit in unterirdischen Umgebungen ist in der Regel höher als überirdisch, insbesondere während der Regenzeit oder in Gebieten mit hohem Grundwasserspiegel. Hohe Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt die Isolationsleistung von Transformatoren und beschleunigt die Korrosion von Metallbauteilen, weshalb die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Das Abdichtungs- und Feuchtigkeitsschutzsystem sollte Folgendes umfassen:

● Wandkonstruktion mit Wasserschutz:

 Es sind Stahlbetonkonstruktionen mit zusätzlichen Abdichtungsmitteln zu verwenden. Der Wasserdurchlässigkeitskoeffizient sollte unter 1 × 10⁻¹¹ m/s liegen. Die Wandstärke beträgt üblicherweise mindestens 300 mm, wobei Wasserstoppbänder eingebaut werden.

● Entwässerungssystem:

Der Sammelbehälter sollte den maximal möglichen Zufluss über 24 Stunden aufnehmen können und mit einem Zweipumpensystem (eine betriebsbereite, eine Reservepumpe) ausgestattet sein. Die Fördermenge der Entwässerungspumpe berechnet sich nach der Formel Q = CA√(2gh), wobei C der Durchflusskoeffizient (ca. 0.6), A die Querschnittsfläche des Auslasses, g die Erdbeschleunigung und h die Förderhöhe ist.

● Entfeuchtungsgeräte:

Die relative Luftfeuchtigkeit sollte unter 60 % liegen (empfohlener Wert gemäß IEEE Std 979). Berechnung der Entfeuchtungsleistung: W = V × ρ × (ω₁ - ω₂), wobei V das Raumvolumen, ρ die Luftdichte und ω₁ bzw. ω₂ der anfängliche bzw. der angestrebte Feuchtigkeitsgehalt sind.

● Versiegelungsbehandlung:

 Verwenden Sie an Transformatorbuchsen, Klemmen usw. ein spezielles Dichtmittel, das die in der Norm IEC 60840 festgelegte Wasserdichtheitsklasse IP68 erfüllt.

3. Räumliche Anordnung und Installationsanforderungen (Ausführlich optimierte Version)

Die beengten Platzverhältnisse in unterirdischen Umspannwerken stellen besondere Herausforderungen für die Installation von Transformatoren dar, die eine umfassende Betrachtung unter Aspekten wie 3D-Raumnutzung, Geräteinteraktion und Lebenszyklusmanagement erfordern.

(1)Prinzipien der dreidimensionalen Raumplanung

Überlegungen zur Tiefengestaltung:

● Vertikale Schichtung:

 Üblicherweise wird eine dreischichtige Struktur verwendet: „Kabelschicht – Geräteschicht – Lüftungsschicht“. Der Transformator sollte mittig in der Geräteschicht platziert werden, mit einer Höhe von mindestens 2.5 m über der Grundplatte (gemäß IEEE Std 841). Für Wartungsarbeiten ist eine Freifläche von mindestens 1.2 m nach oben einzuplanen. Diese Anordnung gewährleistet die Stabilität der Geräte und erleichtert den Kabelanschluss sowie Wartungsarbeiten.

● Horizontale Zonierung:

Unterteilen Sie die Anlage in Funktionsbereiche: Kernbereich, Hilfsbereich und Zugangskorridor. Platzieren Sie den Transformator im Kernbereich und halten Sie einen Abstand D zur nächsten Wand von mindestens max(1.5 m, 0.3 × Anlagenhöhe) ein. Dieser Abstand basiert auf einer Wärmestrahlungsberechnung.q = εσ(T₁⁴ - T₂⁴), wobei ε der Emissionsgrad (0.9 für Transformatoren) und σ die Stefan-Boltzmann-Konstante (5.67×10⁻⁸ W/m²K⁴) ist.

(2)Dynamische Installationstechnik

Wichtige Punkte für die Auslegung von Transport- und Installationssystemen:

● Gleitschienensystem:

 Verwenden Sie hochbelastbare Rollenführungen mit entsprechender Tragfähigkeit.W = μN + mg(sinθ + μcosθ), wobei μ der Reibungskoeffizient (0.15 für Stahl auf Stahl) und θ der Neigungswinkel (sollte < 5° sein) ist. An den Gleisenden sind hydraulische Puffer mit einer absorbierten Energie von E = 0.5mv² ≤ Ed (wobei Ed die Nenn-Absorptionsenergie ist) zu installieren.

● 3D-Positionierungstechnologie: 

Verwenden Sie Laser-Ausrichtinstrumente, um die Installationsgenauigkeit sicherzustellen: Abweichung der Nivellierung ≤ 1 mm/m (gemäß IEC 61936), Abweichung der Mittellinie ≤ 3 mm. Positionierungsfehler Δx = √(Δx₁² + Δx₂²), wobei Δx₁ die Fertigungstoleranz und Δx₂ der Installationsfehler ist.

Parameter	≤10 MVA	10-40 MVA	≥40 MVA	Teststandard
Fundamentlager (MPa)	0.8	1.2	1.5	GB50007
Schwingungsauslenkung (mm)	≤ 0.05	≤ 0.03	≤ 0.02	ISO10816
Positionierungsgenauigkeit (mm)	± 5	± 3	± 2	IEC60076
Sicherheitsfaktor am Hebepunkt	3.5	4.0	4.5	ASME B30.20

Tabelle 2: Spezifikationen der räumlichen Parameter für Transformatoren unterschiedlicher Kapazitäten

(4)Wartungszugänglichkeitsdesign

Vollständige Wartungspläne für den gesamten Lebenszyklus sollten Folgendes beinhalten:

● Modulare Demontageschnittstellen: 

Der Abstand der Flanschverbindungsschrauben wird bestimmt durchP = πD / n, wobei D der Flanschdurchmesser und n ein Vielfaches von 4 (mindestens 16) ist. VorspannkraftF = 0.7 × σy × As, wobei σy die Streckgrenze der Schraube und As die Spannungsquerschnittsfläche ist.

● Visuelle Inspektionsgänge: 

Installieren Sie periphere Korridore mit BreiteW = 0.8 + 0.1 × Gerätehöhe (m)Die Bodenlast muss mindestens 5 kN/m² betragen. Der Betrachtungswinkel α für wichtige Überwachungspunkte (Buchsen, Ölstandsanzeiger usw.) sollte die Bedingung tanα = h / d ≥ 0.7 erfüllen (h ist die Augenhöhe, d ist der horizontale Abstand).

4. Brandschutz- und Sicherheitsanforderungen (Systematisch aktualisierte Version)

Bei der Planung des Brandschutzes für unterirdische Umspannwerke muss ein vierstufiges Schutzsystem nach dem Prinzip „Prävention-Kontrolle-Eindämmung-Löschung“ etabliert werden, das eine gestaffelte Verteidigung gewährleistet.

(1)Branddynamikschutz

Schlüsseltechnologien zur Prävention und Kontrolle thermischer Gefahren:

● Ölbecken-Feuerlöschanlage:

Für ölgekühlte Transformatoren sind intumeszierende, feuerbeständige Beschichtungen mit einem Ausdehnungsverhältnis K = V₂ / V₁ ≥ 30 zu verwenden (V₂ ist das Volumen nach der Ausdehnung). Die Beschichtungsdicke δ beträgt Q / (λ × ΔT), wobei Q der Wärmestrom (angenommen 50 kW/m²) und λ die Wärmeleitfähigkeit (≤ 0.1 W/m·K nach der Ausdehnung) ist.

● Rauchmanagement:

Das Rauchabzugsvolumen Q_Rauch = 0.19 P √H, wobei P der Umfang des Brandabschnitts (m) und H die Höhe (m) ist. Die Rauchabzugsgeschwindigkeit sollte 6–8 m/s betragen, um sicherzustellen, dass die Rauchschichthöhe über 2 m bleibt (NFPA 92).

(2)Mehrstufiger vernetzter Schutz

Architektur intelligenter Brandschutzsysteme:

● Erkennungsschicht:

Flammenmelder mit drei Wellenlängen (Ansprechwellenlängen <3μm, 3-5μm, >5μm), deren Platzierungsdichte im Vergleich zu oberirdischen Meldern um 30 % erhöht wurde.

● Steuerungsschicht:

 Einsatz von PES-Reglern (Performance-based Engineering Safety) mit einer Ausfallrate von λ ≤ 1×10⁻⁶ /h.

● Ausführungsschicht:

 Die kombinierte Ansprechzeit der Ventilgruppe beträgt t = V / (Q × C), wobei V das Rohrvolumen, Q die Durchflussrate und C der Mediumkoeffizient (1.2 für Gas) ist.

(3)Baulicher Brandschutz

Spezielle Anforderungen an feuerbeständige Konstruktionen:

● Betonschutzschicht:

Die Dicke wird nach der Formel R = 0.1 × √(t / k) berechnet, wobei t die Feuerwiderstandsdauer (min) und k der Wärmedurchgangskoeffizient (0.0015 für Beton) ist. Die Bewehrungsüberdeckung muss mindestens 50 mm betragen. Zur Vermeidung von Abplatzungen werden Polypropylenfasern (Dosierung 0.9 kg/m³) hinzugefügt.

● Brandschutzdichtung:

Verwenden Sie Verbundbrandschutzfolien, ExpansionsdruckP = ηRT / V(η ist die Stoffmenge des Gases, R ist die Konstante). Muss einem Druck von ≤ 50 kPa während eines 3-stündigen Feuerwiderstandstests standhalten.

Medientyp	Wärmeleitfähigkeit (W/m·K)	Expansionsverhältnis	Geeignete Temperatur	Zertifizierungsstandard
Calciumsilikatplatte	0.15	Keine Präsentation	≤ 1000 ° C.	UL263
Expandierter Graphit	0.08	100x	≤ 800 ° C.	EN1366
Aerogel-Decke	0.02	Keine Präsentation	≤ 650 ° C.	ISO834
Keramikfaser	0.12	Keine Präsentation	≤ 1260 ° C.	ASTM E119

Tabelle 3: Leistungsvergleich von feuerbeständigen Materialien

5. Elektromagnetische Verträglichkeit und Geräuschunterdrückung (Vertiefter Umsetzungsplan)

Die halboffene Beschaffenheit der unterirdischen Umgebung führt dazu, dass elektromagnetische Störungen und Lärmprobleme stehende Wellen aufweisen, was gezielte Maßnahmen erforderlich macht.

(1)Elektromagnetische Topologieoptimierung

Methoden zum Aufbau eines 3D-Abschirmungssystems:

● Mehrschichtige Abschirmung:

Die äußere Schicht besteht aus 1 mm dickem, verzinktem Stahlblech (Schirmwirkung ≥ 40 dB bei 1 MHz), die innere Schicht aus 0.3 mm dicker Kupferfolie (≥ 60 dB). An den Verbindungsstellen sind EMV-Dichtungen zu verwenden; die Übertragungsimpedanz Zt beträgt < 5 mΩ/m (IEC 61000-5-7).

● Wellenleiterfilterung: 

Die Öffnungen sind als Sperrwellenleiter mit einem Durchmesser d < c / (2f √εr) auszulegen, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, f die höchste Interferenzfrequenz und εr die Dielektrizitätskonstante ist. Typische Größe: Wabenstruktur mit einer Öffnung von ≤ 5 mm und einer Tiefe von ≥ 50 mm.

(2)Schwingungsübertragungskontrolle

Auslegung eines mehrstufigen Schwingungsisolationssystems:

● Primäre Isolation: 

Die Steifigkeit des Gummiisolators beträgt k = (2πf)²m, wobei f die Störfrequenz (typischerweise 100 Hz für Transformatoren) und m die Masse ist. Das Dämpfungsverhältnis ζ = c / (2√(km)) liegt zwischen 0.05 und 0.1.

● Sekundäre Isolation:

 Aktive elektromagnetische Federungssysteme einsetzen, Kontrollbandbreite Δf ≥ 2 × Geschwindigkeitsschwankungsbereich, Betätigungskraft F = ma, a ist die zulässige Schwingungsbeschleunigung (bei U-Bahn-Stationen 0.1 g annehmen).

(3)Akustischer Schwarzes-Loch-Effekt

Anwendung nichtlinearer Schallabsorptionsstrukturen:

● Materialien mit abgestufter Impedanz: 

Akustische Impedanz Z(x) = Z₀ e^(βx), β ist der Dämpfungskoeffizient (nehmen Sie 0.5 - 1.5 Np/mDurch das Aufbringen von abgestuftem porösem Material mit einer Dicke von ≥ 100 mm in 1 m Entfernung vom Transformator kann der Lärm oberhalb von 500 Hz um 15 dB(A) reduziert werden.

● Aktive Geräuschunterdrückungssysteme: 

Die Platzierung des Fehlermikrofons folgt dem λ/4-Prinzip (λ ist die WellenlängeDer Regelalgorithmus verwendet FxLMS, ​​Konvergenzkoeffizient μ = 0.0001 / (P × L), P ist die Eingangsleistung, L ist die Filterlänge.

(4)Matrix zur Harmonischenreduzierung

Lösungen für mehrdimensionale Filterung:

● Räumliche Filterung:

Konfigurieren Sie Nullsequenzfilter mit Delta-Schaltung, Impedanzverhältnis Z₀ / Z₁ ≥ 10, wobei Z₀ = 3R + 3X, Z₁ = R + jX.

● Zeitliche Filterung: 

Aktive Filter-Schaltfrequenz f_sw ≥ 10 × Höchste Harmonische Ordnung, Stromverfolgungsfehler δ = √(∑(I_h - I_href)²) / I₁ ≤ 5% (IEC 61000-3-6).

Durch die oben beschriebenen detaillierten Optimierungsmaßnahmen kann der elektromagnetische Störpegel von Transformatoren in unterirdischen Umspannwerken die Anforderungen der CISPR11 Klasse A erfüllen, wobei der Geräuschpegel unter 55 dB(A) (gemessen in 1 m Entfernung von den Geräten) liegt und somit die von IEEE Std 1127 empfohlenen Werte vollständig erreicht werden.

Internationale Standards und Best Practices

Die wichtigsten globalen Normungssysteme haben unterschiedliche Schwerpunkte hinsichtlich der Installation von unterirdischen Umspannwerkstransformatoren:

• IEC-Normen (Internationale Elektrotechnische Kommission): Schwerpunkt auf Geräteleistung und Prüfmethoden, z. B. Normenreihe IEC 60076.

• IEEE-Standards (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Schwerpunkt Systemdesign und Sicherheit, z. B. IEEE Std C57-Reihe.

• GB-Standards (Chinesische Nationalstandards): An die nationalen Gegebenheiten angepasst, z. B. GB/T 17468-2019.

 

Fazit

Die Umweltanforderungen für die Installation von Transformatoren in städtischen Untergrundstationen stellen ein komplexes Problem dar, das zahlreiche Faktoren aus verschiedenen Disziplinen wie Thermodynamik, Bauingenieurwesen und elektrischer Sicherheit umfasst. Mit dem technologischen Fortschritt werden neue Materialien entwickelt.(z. B. Nanofluid-Isolieröl)Intelligente Überwachungstechnologien verbessern kontinuierlich die Zuverlässigkeit und Effizienz von unterirdischen Umspannwerken. Planer und Ingenieure müssen das optimale Gleichgewicht zwischen Investitions- und Betriebskosten, räumlichen Beschränkungen und Sicherheitsmargen sowie technischem Fortschritt und ausgereifter Zuverlässigkeit finden, um den sicheren und effizienten Betrieb dieser „städtischen Energiezentren“ im Untergrund zu gewährleisten.

 

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