1. 変電所設計プロセス: 段階的アプローチ

110 kV 変電所は、チームが初期段階で負荷流の研究を省略したため、構想から通電まで 16 か月かかりました。このたった 1 つの見落としが、3 つの大規模な設備変更と 120 万ドルの予算超過につながりました。 変電所の設計は、厳格な段階的な方法論に従った場合にのみ成功します。 各フェーズでは、次の一連の決定を検証する特定の成果物が生成されます。

6 段階のプロセスは、実現可能性と用地の選択から始まります。エンジニアは、負荷予測、環境上の制約、送電網の相互接続要件を収集します。出力は、予備的な単線図と概念的なレイアウトです。フェーズ 2 では、短絡解析、負荷流量、過渡安定性などの詳細なシステム調査を実行します。これらの研究により、すべての機器の定格を決定する短絡電流レベル、電圧プロファイル、およびブレーカーのデューティ要件が得られます。

フェーズ 3 では、変圧器、開閉装置、バスバー、リアクトルなどの主要機器を選択します。すべての仕様はシステムスタディの数値に関連付けられています。フェーズ 4 では、物理的なレイアウト、土木工事、および接地グリッドを最終決定します。フェーズ 5 では、保護、制御、SCADA アーキテクチャを設計します。フェーズ 6 には、建設、テスト、試運転が含まれます。フェーズ間の各引き継ぎには、正式な設計レビューのチェックリストを含める必要があります。

一般的な障害パターンは、機器を注文した後でシステム調査を実施することです。そのため、保護調整に妥協が生じ、変圧器が故障による損傷を受けやすくなる可能性があります。シーケンスに従ってください。ハードウェアの選択は数値に基づいて決めてください。

2. 主要なシステム研究: 短絡、負荷流、保護調整

利用可能な最大故障電流が分からなければ、回路ブレーカーのサイズを設定したり、リレー ピックアップを設定したりすることはできません。システム調査は任意の事務手続きではありません。これらは、あらゆる技術仕様の分析のバックボーンです。 3 つの基礎的な調査は、短絡解析、潮流解析、保護調整です。

短絡解析では、各母線の三相故障電流と地絡電流が計算されます。 2,500 MVA の上流送電網を備えた一般的な 110 kV 変電所の場合、三相対称故障レベルは 20 kA ～ 40 kA の間に収まることがよくあります。中性点がしっかりと接地されている場合、単相地絡事故は 30 kA を超える可能性があります。これらの数値により、回路ブレーカーの遮断定格、バスバーの短時間耐久性、変流器の熱制限が決まります。

負荷流解析により、ピークおよび最小発電シナリオでの電圧プロファイルと機器負荷が確認されます。エンジニアは、変圧器のタップ切替器が二次電圧を 0.95 ～ 1.05 pu 以内に維持できることを確認します。また、過負荷の送電線や無効電力の不足も特定します。その後、両方の調査に基づいて保護の調整が行われます。設計者は時間電流曲線 (TCC) を使用してリレー時間ダイヤルとピックアップ電流を設定し、変圧器のバックアップ保護が動作する前にフィーダの障害が解消されるようにします。 直列デバイス間の調整間隔は 0.2 ～ 0.3 秒が標準的です。

以下の表は、系統の寄与が大きいと仮定した、一般的な変電所電圧の典型的な短絡レベルを示しています。

これらのスタディは、ETAP、DIgSILENT PowerFactory、PSS/E などのソフトウェアを使用して実行します。常に最悪の場合のグリッド構成、つまり最大発電量とすべての回線が稼働している状態をモデル化します。

3. 機器の選択: 変圧器、開閉装置、バスバー

機器の選択では、資本コスト、運用期間、および設置場所の制約が衝突します。間違えると、発注書で 1 回目、メンテナンス予算で 1 回目という 2 回支払うことになります。 3 つの最大の決定事項は、変圧器のタイプ、開閉装置の絶縁媒体、バスバーの構成です。

3.1 変圧器の種類：油入型と乾式型

油入変圧器は、優れた冷却性と高い BIL 定格により、35 kV を超える変電所で主流となっています。一般的な 110 kV / 20 kV、50 MVA ユニットは、強制オイル冷却および強制空冷を備えた鉱油を使用します。このようなユニットの全負荷損失の範囲は 150 kW ～ 200 kW です。 油入変圧器 MVA あたりの初期コストが低く、過負荷耐性が優れていますが、屋内または建物の近くに設置する場合は、消火システムと油封じ込めピットが必要です。

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乾式変圧器、特に エポキシ樹脂キャストコイル設計 、都市部の変電所、地下金庫、消防法が厳しい場所で優れています。 35 kV / 0.4 kV、2.5 MVA の鋳造樹脂ユニットは自然の空気対流によって熱を放散し、オイル ポンプやラジエーターが不要になります。その代償として、初期コストが高くなります (同等の油を充填したユニットよりも約 20 ～ 30% 高くなります) ことと、同じ kVA の設置面積が大きくなることが挙げられます。以下の表は、6 つの決定要素にわたって 2 つのテクノロジーを比較しています。

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3.2 開閉装置: AIS 対 GIS

空気絶縁開閉装置（AIS）は、絶縁媒体として大気を使用します。これは、十分なスペースがある屋外の 35 ～ 220 kV 変電所のデフォルトの選択肢です。 1 つの 110 kV AIS ベイは、およそ 8 m × 12 m を占有します。対照的に、ガス絶縁開閉装置 (GIS) は、すべての充電部を SF6 で満たされた密閉管内に封入します。同じ 110 kV ベイは約 2 m × 6 m に縮小します。 GIS は、塩害により AIS 絶縁体が 2 年以内に劣化する可能性がある都市部の屋内変電所や沿岸地域では必須です。

GIS は、同じ評価の場合、AIS よりも 2 ～ 3 倍のコストがかかります。しかし、土地代が 1 平方メートルあたり 500 ドルを超えると、設置面積が小さくなるため、総設置コストが GIS に有利になることがよくあります。 GIS のメンテナンスは主要な連絡先にとっては低コストですが、ガス監視と漏れ検出には特殊なコスト層が追加されます。

3.3 バスバー構成

シングルバスのレイアウトは最も安価ですが、メンテナンスのためにステーション全体を停止する必要があります。ダブルバスまたはブレーカー アンド ハーフ方式により、運用上の柔軟性が実現します。 6 つのフィーダを備えた 220 kV 変電所の場合、ブレーカー 1 つ半の構成では開閉装置の資本コストが約 30% 増加しますが、ブレーカーのメンテナンス中の完全なステーションの停止はなくなります。電力会社の N-1 信頼性基準に基づいてバス方式を選択します。

4. 変電所のレイアウトと接地設計

物理的なレイアウトと接地は切り離せません。機器の配置によって故障電流経路の長さが決まり、ステップ電圧とタッチ電圧に直接影響します。また、適切に設計されたレイアウトにより、ケーブルトレンチが簡素化され、土工事が削減され、建設が迅速化されます。

単線図から始めて物理ベイを割り当てます。バスダクトの長さを最小限に抑えるために、変圧器ベイを開閉装置の建物に隣接して配置します。屋外空気絶縁ステーションの場合は、IEC 61936-1 に従って、最小の相間および相とグランドのクリアランスを維持してください。 110 kV では、標準の相間クリアランスは 1,300 mm、相とアース間距離は 1,100 mm です。 220 kV の場合、これらの数値はそれぞれ 2,100 mm と 1,800 mm に上昇します。

接地設計では、総接地抵抗が大規模な変電所では 1 オーム以下、小規模な配電所では 5 オーム以下になるように設計されています。グリッドは通常、深さ 0.5 ～ 0.7 m に埋められた裸の銅導体で構成され、4 ～ 6 メートルの間隔でメッシュを形成します。土壌の抵抗率が 500 オーム-メートルを超える場合は、垂直接地棒を配置するか化学処理する必要があります。最悪の場合のグリッド電流の下で​​タッチ電圧とステップ電圧を計算します。砕石表面の 0.5 秒間の除去時間に対する許容タッチ電圧は約 660 V です。計算されたタッチ電圧がこれを超える場合は、グリッドの間隔を狭めるか、表面絶縁を追加してください。

避雷は球体転動方式を採用しています。保護レベル II の変電所の場合、球の半径は 30 m です。通電中のすべての機器が保護ゾーン内に収まるように、シールド ワイヤまたは避雷針を配置します。高さ 20 m のマストは、装置高さ 12 m で約 24 m の側面保護距離を提供します。

5. 保護および制御システム: リレーから SCADA まで

保護は高速かつ選択的で信頼性が高くなければなりません。 10 MVA を超える電源変圧器の主な保護は、通常、高調波抑制機能を備えた電流差動リレーです。このリレーは、各巻線に出入りする電流を比較することによって内部故障を検出します。 110/20 kV、50 MVA 変圧器の場合、外部故障時の CT 飽和でのトリップを避けるために、標準的な差動ピックアップは 30 ～ 40% の傾きでユニットあたり 0.2 ～ 0.3 に設定されます。

バックアップ保護には、高圧側と低圧側に時間過電流要素が含まれています。相過電流ピックアップは、変圧器の全負荷電流の 125 ～ 150% に設定されます。接地過電流ピックアップは、多くの場合、接地されやすいシステムの場合、全負荷電流の 20 ～ 30% に設定されます。ブレーカー障害保護は、主ブレーカーが 150 ～ 200 ミリ秒以内に障害を解除しない場合、隣接するすべてのブレーカーのトリップを開始します。

制御システム アーキテクチャは現在、変電所の自動化に IEC 61850 を広く採用しています。デジタル リレー、マージ ユニット、およびベイ コントローラは、インターロック用の GOOSE メッセージと SCADA インターフェイス用の MMS を使用して、ステーション バスを介して通信します。 IEC 61850 では、配線方式と比較して銅配線が 60 ～ 80% 削減されます。 ユーティリティがレガシー SCADA インターフェイスを操作する場合、プロトコル ゲートウェイは DNP3 または Modbus をステーション バスに変換します。保護リレー設定が不揮発性フォーマットで保存されること、およびすべてのイベント レコードが SNTP または IRIG-B マスター クロックを介して時刻同期されることを常に指定します。

6. 再生可能エネルギー変電所に対する特別な考慮事項

太陽光発電変電所は、商用交換所の縮小版ではありません。高調波成分、双方向の電力の流れ、および意図しない単独運転のリスクに対処する必要があります。これらの要因を無視すると、リレーの誤動作やインバータのトリップが発生する可能性があります。

インバータからの高調波歪みは通常、5 次、7 次、11 次、13 次の低次の周波数に集中します。相互接続点における全高調波歪み (THD) は、IEEE 519 に従って 5% 未満に抑える必要があります。THD がこの制限を超える場合、エンジニアはパッシブ同調フィルターまたはアクティブ高調波フィルターを追加します。品質係数 20 で 5 次高調波に調整されたパッシブ フィルターは、高調波電流を 80% 削減できます。アクティブフィルターは高価ですが、インバーターの動作点の変化に適応します。

単独運転の検出には、パッシブな方法（電圧不足/過電圧、周波数不足/過剰）とアクティブな方法（周波数シフト、無効電力輸出の変動）の組み合わせが必要です。単独運転防止リレーは、系統喪失後 2 秒以内にプラントを切断する必要があります。トランスの選択にも注意が必要です。専用のインバータデューティ変圧器は、高調波電流による追加の巻線ストレスに耐える必要があります。 移相変圧器 特定の次数の高調波がグリッドに到達する前にキャンセルするマルチパルス整流器構成を作成するために使用でき、フィルタのコストと設置面積を削減できます。

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風力発電所では、電圧フリッカーと低電圧ライドスルー (LVRT) 機能が変電所の設計を推進します。変圧器のインピーダンスは通常、タービン起動時の電圧降下を制限するために 8% ～ 12% の間に設定されます。風力タービンの LVRT 曲線が系統コードの要件に一致していることを確認します。ゼロ電圧状態で 150 ミリ秒間接続を維持することが一般的な義務です。

7. 国際規格: IEC 対 IEEE/ANSI – 知っておくべきこと

IEC 60076 に準拠して構築された変圧器は、設計調整を行わなければ、必ずしも IEEE C57.12.00 要件を満たせるとは限りません。違いは、温度上昇限界、絶縁レベル、ノイズ試験条件に現れます。仕様段階でこれらの標準を調和させることができない輸出プロジェクトは、必然的に費用のかかる再作業に直面することになります。

以下の表は、3 つの重要な相違点を示しています。

開閉装置の場合、IEC 62271-1 は、IEEE C37 とは異なる定格電圧と電流を定義します。機器を指定する場合は、該当する規格を明示し、準拠証明書を要求します。二重認定製品を提供できるメーカーは、調整のリスクを排除します。あ ヨーロピアンスタイルのパッドマウントトランス たとえば、ブッシュの沿面距離を少し変更するだけで、IEC と IEEE の両方の絶縁調整要件を満たすように設計できます。

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8. コストの見積もりとプロジェクトのスケジュール

予算の現実主義により、承認されたプロジェクトと保留された提案が区別されます。 2 つの 50 MVA 変圧器と 6 つのフィーダーベイを備えた 110 kV グリーンフィールド屋外 AIS 変電所の設備と建設には、通常 400 万ドルから 700 万ドルの費用がかかります。変圧器パッケージだけでその合計の 30 ～ 35% を消費します。開閉装置が 20 ～ 25% を占め、土木工事や基礎工事がさらに 15 ～ 20% を占めます。残りの金額は、保護、制御、SCADA、および試運転をカバーします。

タイムラインは予測可能なパターンに従います。 110 kV ステーションの設計と調達段階には 5 ～ 7 か月かかります。土木工事と設備設置には6～8か月かかります。試運転とグリッドの同期にはさらに 2 ～ 3 か月かかります。契約締結から商用運用までのプログラム全体には 12 ～ 18 か月かかります。より多くのベイとより高い電圧定格を備えた 220 kV GIS ステーションでは、設計段階と設置段階の両方に約 4 ～ 6 か月かかります。

コスト超過は、ほとんどの場合、系統相互接続要件の遅れによる変更、深い杭打ちを必要とする予期せぬ地盤条件、仕様の不一致による工場受入れ試験 (FAT) スケジュールの延長という 3 つの原因から発生します。設備予算に 10 ～ 15% の予備費を割り当て、大規模な発注書を発行する前に相互接続契約条件を修正します。