変電所プロジェクトがパフォーマンスの期待を満たせない場合、その根本原因はほとんどの場合、最初の基礎を注入する前に行われた決定に遡ることができます。レイアウトが狭すぎて安全なメンテナンスができなかったり、変圧器の定格に負荷増大の余地がなかったり、保護方式が下流の機器と調整されていなかったりします。これらは構造上の問題ではありません。これらは設計上の問題であり、通電後に修正するには莫大な費用がかかります。このガイドでは、機能要件の定義からコア機器の選択、コンプライアンス文書の作成に至るまで、コスト、設置面積、および長期的な運用信頼性に直接影響する決定に重点を置き、設計プロセス全体を説明します。

変電所とは何ですか?なぜ設計が重要なのでしょうか?

変電所は、電圧が変圧され、電流が供給され、保護が調整される送電網内のノードです。この製品は、その設計を定義する 3 つの機能、すなわち電圧変換 (送電用に昇圧または配電用に降圧)、スイッチングとルーティング (回路の接続または絶縁)、および保護 (上流および下流の機器を保護するための障害の除去) を実行します。設計段階でのあらゆる決定は最終的にこれら 3 つの機能を果たし、あらゆる設計上の欠陥はいずれかの機能の失敗として現れます。

業界の経験によれば、設計上の決定はプロジェクトのライフサイクル コストの約 80% に影響を及ぼします。冷却能力が不十分な変圧器を選択した場合、オペレータは後で外部冷却を設置する必要があります。開閉装置ベイが適切な引き出しスペースなしで配置されているため、ブレーカーの交換には数日かかるクレーン作業が必要になります。接地グリッドのサイズが小さすぎると、地絡時に危険な接触電圧が発生します。これらの例はいずれも、早すぎた仕様書、または十分な精査なしに承認されたレイアウトに遡ります。設計段階では、信頼性を確保し、コストの超過を回避します。

ステップ 1 – 変電所のタイプと機能要件を定義する

計算を開始する前に、プロジェクト チームは、この変電所がネットワーク内でどのような役割を果たしているのかという基本的な質問に答える必要があります。その答えによって、電圧レベル、ブレーカー要件、冗長パス、さらにはステーションの物理的形状が決まります。 3 つの機能カテゴリがほとんどのプロジェクトをカバーします。

送電、配電、集電変電所

送電変電所は 110 kV 以上で動作し、通常は高電圧線を相互接続し、大規模な負荷センターに電力を供給します。システム電圧が高いため、堅牢な保護方式、冗長バス構成、および十分な機器間隔が必要です。配電変電所は 35 kV 以下に降圧され、ローカル負荷に対応します。それらはより多く、よりコンパクトで、多くの場合、よりシンプルでより経済的な単一バス構成で設計されています。集電変電所は、分散型発電（太陽光発電所、風力発電所、蓄電池）からの出力を集約し、送電電圧まで昇圧します。その設計は、逆潮流の考慮、無効電力管理、および急速な負荷変動によって支配されています。

分類はエンジニアリングの優先順位を決定するため重要です。送信局は可用性と耐障害性を優先します。コレクターステーションは電力品質と柔軟性を優先します。配電ステーションはコスト効率と運用の簡素化を優先します。

屋内 vs 屋外 vs コンパクトプレハブレイアウト

物理的形式は、設計決定ツリーの 2 番目の主要な分岐です。屋外空気絶縁変電所 (AIS) が従来の選択肢です。機器はコンクリートパッドに取り付けられ、バスバーは格子構造で支持され、すべての充電部は天候にさらされます。土地が広く、降雪量が適度にある田舎に適しています。屋内ガス絶縁変電所 (GIS) は、すべての充電部を六フッ化硫黄でコンパクトな金属ハウジング内に密閉します。これらは、都市部、海岸地域、土地が高価な場所、または塩水噴霧により露出した導体の腐食が促進される場所に適しています。

これら 2 つの極端の間には、プレハブまたはスキッドマウント変電所があります。この構成では、変圧器、開閉装置、および補助システムが工場で 1 つまたは複数の耐候性エンクロージャに組み立てられ、単一の可搬型ユニットとして納品されます。再生可能エネルギープラントの建設、緊急送電網の復旧、または一時的な産業用供給など、厳しいスケジュール目標を持つプロジェクトの場合、プレハブ形式により、現場での作業が基礎の準備、ケーブルの終端、最終テストに短縮されます。通常、サイトの設置にかかる時間は数か月から 1 ～ 2 週間に短縮されます。主な設計タスクは、適切な侵入保護、適切な内部換気、およびケーブル配線とオペレータのアクセスに十分なスペースを備えたエンクロージャを選択することになります。

ステップ 2 – 負荷の計算と容量計画

変圧器の容量は、変電所における最大のコスト要因であり、運用スタッフが機器の 20 ～ 40 年の耐用年数にわたって耐えることになるパラメータです。過小なサイズでは過負荷トリップが発生し、絶縁劣化が促進されます。過剰なサイジングは資本を無駄にし、無負荷損失を増加させます。設計では、将来の需要予測に対してこれらのリスクのバランスを取る必要があります。

標準的なアプローチは負荷インベントリから始まります。つまり、接続されているすべての負荷をリストし、タイプ (住宅、商業、産業、または発電) ごとに分類し、適切な需要要因を適用します。同時ピークは、需要係数と多様性係数、つまりシステムの最大需要と個々の最大需要の合計の比率を使用して計算されます。一般的な設備計画基準では、将来の成長と運用上の偶発性を考慮して、計算された負荷に 1.2 ～ 1.3 の乗数を適用します。変電所が N-1 セキュリティを必要とする重要な負荷に対応する場合、変圧器の容量は、1 台のユニットが停止した状態で下流の負荷全体を運ぶのに十分である必要があります。

この計画期間は、物理的なレイアウトに直接反映されます。 1 つの変圧器用に 2 番目のユニット用のパッド マージンを備えて設計されたステーションでは、初日からバスバー スペース、ケーブル トレンチ、基礎エリアを割り当てる必要があります。改修による拡張は、計画的な拡張よりも常に費用がかかります。作業は既存の設置面積に制限され、新しい接続を確立するには停止が必要になります。

ステップ 3 – 単線図 (SLD) とバス構成の設計

単線図は変電所設計の基礎となる文書です。存在する入力フィーダと出力フィーダの数、変圧器とブレーカーが接続される場所、および保護ゾーンがどのように配置されるかを定義します。その後のすべてのエンジニアリング (リレー設定、ブレーカー定格、バスバー電流容量、物理レイアウト) は SLD から派生します。すべての設計レビューは単線図を読むことから開始する必要があり、承認されるまで機器の購入を完了してはなりません。

SLD のコンポーネントの識別

配電クラスの変電所の一般的な SLD には、次の要素が含まれています。断路器と回路ブレーカーを備えた受電線 (またはケーブル)、指定されている場合は OLTC (負荷時タップ切換器) を備えた降圧変圧器、出力バスバー セクション、およびそれぞれにブレーカー、変流器、断路器を備えた複数のフィーダ回路です。変圧器と避雷器はバスバーに接続するか、ケーブル終端に直接接続します。重要な相互作用は、ブレーカーが障害遮断を実行し、断路器がメンテナンス用に目に見えるエアギャップを提供し、接地スイッチ (取り付けられている場合) が人員が近づく前に絶縁された回路が確実に遮断され、アースに接続されていることを保証します。

プロジェクトに対して SLD を定義する場合、最初にバス トポロジを決定します。シングルバス構成では、1 つの共通バスバーからすべての回路に電力が供給されます。これはシンプルでコスト効率が高く、供給の安全性の要件がそれほど高くない場合に、ほとんどの配電変電所で使用されるものです。ダブルバス構成は、切換断路器を介して各回路を 2 つのバスバーのいずれかに接続するため、メンテナンスのためにどちらかのバスを取り出すことができ、バスバーの作業中に負荷が中断できない場合に適しています。リング バスまたはブレーカー アンド ハーフ構成は、単一のバス障害によって複数のフィーダが中断されてはならない高電圧送電局用に予約されています。

ステップ 4 – 変圧器と開閉装置の選択 (コア機器の決定)

変圧器と開閉装置の選択は、ほとんどの注文書が実際に作成される段階であり、実用的で保守可能なステーションと理論上のステーションの違いが決定されます。この段階で重要なパラメータは、電圧定格、容量、冷却クラス、タップ切替器のタイプ、変圧器の損失レベルです。開閉装置の定格電圧、短絡遮断電流、絶縁媒体。

油入変圧器と乾式変圧器: 主要な選択基準

断熱材と冷却媒体によって、変圧器の筐体要件、耐火性、メンテナンスの作業負荷が決まります。油入変圧器は、誘電絶縁と放熱の両方に鉱物油を使用しています。高い過負荷能力、長年確立されたサービス実績、および比較的低い生産コストを備えています。その代償として、石油には封じ込めシステム（囲いピットまたは防火壁）が必要であり、誘電性流体には火災と汚染のリスクがあり、設備の耐用年数全体にわたって管理する必要があります。油の封じ込めと火災の分離に十分な面積がある屋外現場では、35 kV 以上の油浸ユニットが引き続き標準的な選択肢となります。典型的なユーティリティの選択肢を検討している読者は、次のことを検討するとよいでしょう。 35kV油入変圧器仕様 標準の評価が流通クラスのシステムとどのように一致しているかを確認します。

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乾式変圧器は、鋳造樹脂または空冷のクラス H 絶縁巻線を使用します。これらにより、火災の危険性、油の封じ込め要件、毎月の油品質のサンプリングが不要になります。高層ビル、駐車場の床、トンネル、または燃える油が溜まると壊滅的な被害を受ける場所など、屋内設置の場合は、乾式タイプが事実上必須です。乾式ユニットは無負荷損失が高く、過負荷容量が低いため、ライフサイクル運用コストは若干高くなりますが、構造要件の軽減により資本の差が相殺されることがよくあります。

バスバー、ブレーカー、断路スイッチの調整

コア スイッチング コンポーネントには厳密な機能階層があります。回路ブレーカーは故障電流を遮断する要素です。その定格短絡遮断容量は、設置時点での最大対称故障電流を超える必要があります。対照的に、切断スイッチは負荷電流や故障電流を遮断することを目的としたものではありません。すでに通電されていない回路を分離して、目に見える遮断を作成するだけです。バスバーは、最大連続電流 (配電主母線の場合) または N-1 不測の事態から生じる緊急定格のいずれかに対応する定格を備えている必要があります。調整要件は比較的単純ですが厳格です。ブレーカーは障害を解消し、断路器はブレーカーのメンテナンスをサポートし、バスバーは通常の動作中だけでなく、ブレーカーが解消した障害電流中の熱的および機械的ストレスに耐える必要があります。信頼性クラスを評価する場合、次のように指定します。 金属密閉型高電圧開閉器キャビネット 屋内およびコンパクトな設置では、AIS 配置とオープンフレーム AIS 配置のどちらが重要な決定点になります。

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コンパクトなソリューションが設置面積と設置時間をどのように削減するか

敷地条件によって土地、設置時間、または予算に制約がある場合、設計者はプレハブ変電所をフォールバックではなく主要なソリューションとして真剣に検討する必要があります。 35 kV 配電プロジェクト用の従来の屋外変電所には、敷地の整地、機器の基礎、バスバー構造、制御室の建物が必要で、通常、建設期間は 6 ～ 9 か月かかります。プレハブ変電所は、変圧器、中圧開閉装置、低圧開閉装置、補助システム (メーター、保護リレー、暖房、照明、通信) を工場でテスト済みの単一の筐体に統合します。現場での作業は、台座の準備、エンクロージャの設置、コンポーネント間のケーブル配線、および最終的な試運転テストに限定されます。完全なインストールは数日で完了します。

再生可能エネルギー プロジェクトでは、発電スケジュールがタービンまたは PV モジュールの納期によって設定されるため、コンパクトな変電所がクリティカル パス アイテムとなることがよくあります。工場で組み立てられたユニットは、クリティカル パスから土木工事を完全に排除します。都市部の分散では、設置面積がコンパクトなため、土地取得コストを桁違いに削減できます。拡張中に一時的な電力が必要な産業ユーザー向けに、コンパクトなユニットを移動して再利用できます。設計者は、変圧器と開閉装置の最初のコストだけでなく、土地、土木工事のコスト、遅延通電の商業コストも比較して、これらの代替案を並べて評価する必要があります。完全に統合されたソリューションを評価している人は、次のことを確認できます。 高圧および低圧プレハブ変電所のオプション どの構成が特定のプロジェクトの制約に一致するかを評価します。

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ステップ 5 – 物理的レイアウト、接地、および安全設計

レイアウトと安全設計により、理論上の電気システムが実行可能な物理プラントに変換されます。基本的な制約は安全クリアランスです。つまり、異なる相の充電部分の間、充電部分と接地構造物の間、および充電部分とアクセス可能な領域の間の最小空気距離です。これらの値は、1 kV AC を超える設備については IEC 61936 によって定義され、高電圧設計の特定の側面については (他の規格の中でも特に) IEEE 1428 によって定義されています。システム設計者は、変圧器のテストと設置制限について IEC 60076 も参照する必要があります。米国では、NEC/NESC フレームワークがユーティリティの設置に適用されます。値はオプションではなく、すべての機器をその中に配置する必要がある物理的エンベロープを定義します。

接地設計は、線路地絡状態下でステップ電圧とタッチ電圧を安全なレベルに制限するために実行されます。標準エンジニアリングリファレンスは IEEE Std 80 で、障害期間とボディ抵抗に基づいて最大許容タッチ電圧とステップ電圧を決定するための式が提供されています。物理的接地システムは、埋め込まれた水平グリッド (通常は裸の銅導体)、グリッド交差部の垂直接地ロッド、およびすべての機器フレームと構造への接続で構成されます。グリッドは変電所の避雷システムと統合する必要があります。避雷器は過渡エネルギーを地面に放電し、接地グリッドは変電所全体の基準面を提供します。コンパクトな変電所の場合、機器は工場で接着されているため、接地設計は比較的簡単ですが、エンクロージャは、全故障電流を流すことができるサイズの導体を使用してサイトの接地電極システムに接続する必要があります。

防火性は後付けではなく、設計の原動力です。一定の容積（通常は 1 区画あたり 500 リットル）を超える油入変圧器には、変圧器と隣接する機器の間に防火壁が必要です。変圧器の火災からの熱放射によって、発電所に専用の消火システム (水スプレーまたは泡消火器) が必要かどうか、堤防の壁が耐火性を備えている必要があるかどうか、変圧器と開閉装置または制御室の間に必要な最小間隔が決まります。

ステップ 6 – 保護、制御、監視システム

保護システムは変電所の神経系です。異常な状態を感知し、障害が発生したゾーンを隔離し、正常なネットワークを稼働させます。アーキテクチャは 3 つの層で構成されています。主な保護は高速 (通常 20 ～ 40 ミリ秒) で動作し、変圧器の場合は差動保護とブッフホルツ リレー (油中のガス検出用) という主要な資産をカバーします。ラインの場合、距離保護またはパイロット線保護です。バックアップ保護は、メイン システムに障害が発生した場合に、時間遅延を伴う冗長な障害クリアを提供します。 3 番目のレベルのブレーカー障害保護は、主ブレーカーが指定された時間内に障害を解除できない場合に、隣接するブレーカーをトリップします。

監視制御およびデータ収集 (SCADA) は、遠隔操作を設計に組み込みます。変電所には、ディスパッチ センターと通信し、テレメトリ (電圧、電流、電力などの測定値)、テレシグナリング (ブレーカーおよび断路器の状態)、テレコマンド (ブレーカーの遠隔操作)、およびテレ調整 (タップ チェンジャーまたはリレーの設定変更) という 4 つの主要なパラメーターを送信する RTU またはベイ コントローラーが装備されている必要があります。最新のモニタリングにより、油温、巻線温度、溶存ガス分析、部分放電、負荷プロファイルなどの状態データが追加されます。設計では、最初からこれらの測定デバイスとその通信インターフェイス用のスペースを割り当てる必要がありますが、それらをローカル HMI またはダッシュボードに表示するかどうかは、簡単な構成の決定で決まります。

規格、コンプライアンス、および文書化

設計作業は、エンジニアリングがレビュー、許可、構築できる基準に基づいて文書化されるまで完了しません。国際枠組みは 3 つの主要な標準システムによって定義されます。 IEC 60076 シリーズは変圧器のテストと性能を管理します。 IEC 62271 は高電圧開閉装置および制御装置を規定します。 IEEE 80 (すでに参照) は接地の安全性をカバーし、IEEE 1428 および IEEE 665 は特定の設計側面をサポートします。また、中国の GB 標準シリーズは、その製造拠点で製造されるプロジェクトに引き続き関連します (たとえば、GB 50059 は変電所の設計をカバーしています)。それぞれの標準が他の標準に置き換わるものではありません。多くの輸出プロジェクトでは、米国の IEEE、その他のほとんどの地域の IEC、およびホスト国のローカルグリッドコードへの準拠が必要です。

変電所の設計契約から得られる出力ドキュメントは、どの業界でもほぼ同様です。成果物は、単線図 (SLD)、全体配置図 (平面図と断面図)、タッチ/ステップ電圧計算レポートを含む接地グリッドのレイアウト、保護調整とリレー設定の検討、ケーブルのスケジュールと封じ込め図面、部品表、各主要項目の技術仕様です。このバンドルがなければ、ステーションを構築、テスト、またはオペレーターが受け入れることはできません。これらの文書への投資は、再現可能な設計プロセスと即席の建設プロジェクトを分けるものです。

最終的な考え

変電所の設計は直線的ではなく反復的です。負荷の計算は変圧器の仕様に影響を与え、バスバーの定格に影響を与え、レイアウトのエンベロープを決定します。また、1 つのパラメータの変更は他のパラメータにも反映されます。最も有用な設計プロセスは、閉じたフィードバック ループを維持します。つまり、機器の選択、物理的なレイアウト、および保護の調整は、連続したタスクとしてではなく、1 つの統合されたシステムとして検討されます。あらゆる設計上の決定には、「予測より 20% 高い負荷の下で、元の機器を使用してこのステーションを 30 年後に快適に運用できるかどうか」という簡単なテストが適用されます。不快な答えが「ノー」であれば、その設計上の弱点は今より注目に値します。試運転後に対処するにははるかに費用がかかるでしょう。ここの手順と同様の完全なウォークスルーを探しているデザイナーの場合は、 ステップバイステップの変電所設計エンジニアリング ガイド システムの観点から各フェーズについてのより深い議論を提供します。