極寒気候条件下でのプレハブ式外殻変電所の運用分析
世界的気候の多様性のもとで、高山地域での電力施設建設は技術的および環境的な課題に直面しています。極端な気候、複雑な地質、長期的な冬の低温、氷や雪、嵐などは、電気設備の安定性と電力施設の建設（スケジュール、コスト、メンテナンス）に負担をかけます。従来の現場での変電所建設は工期が長く適応性も低いため、高山地域の迅速かつ安定した電力需要を満たすことができません。
プレハブキャビン式変電所は、高圧スイッチ、変圧器、制御システムなどの主要設備を組み込んだモジュール化された工場製造セットアップであり、輸送後に現場での迅速な組み立てが可能です。これにより環境依存度が減少し、厳しい条件下で時間的に制約のある高山地域において独自の価値を発揮します。この研究は、高山地域の電力システムのアップグレードと世界中の類似環境における電力開発を促進することを目指しています。
プロジェクト概要
本プロジェクトは中国西南部の高山地域に位置しており：- 8°Cの年平均気温、- 30°Cの冬季最低気温、5ヶ月以上の氷雪期、1m以上の地面凍結があります。標高3600mで、敷地面積は6000m2(1200m2)、総投資額は5500万円（設備費3300万円、建設費2200万円）です。
2台の120MVA主変圧器（冬季の高負荷に対応）、8台の10kV配電盤（電力分配用）、3kmの低煙・防凍ケーブル（寒冷地向け）を備えています。8ヶ月間の設計・建設サイクルで、極端な条件下での安定かつ信頼性の高い電力供給を確保する目的です。
防霜土層の敷設
高山地域の寒冷と凍結融解サイクルにより、土壌が凍結し、変電所の基礎やキャビンに危険が及ぶ可能性があります。これを解決するために、熱伝導率が0.5W(m·K)未満で良好な断熱性を持つGCLを使用します。0.8m厚の層は霜上昇を防止します。
極度の寒冷に対する対策として、まずCAT 336Eショベルカーを使用して凍結または汚染された表土を取り除きます。その後、5〜20mmの砂利（300mm厚）を置き換えて耐荷重と排水性を向上させます。400mm厚の二重層GCL（200mm以上のオーバーラップ、ギャップチェック）が続きます。その上に100mm厚の5〜15mmの砂利保護層を設けて、使用中にGCLを保護します。建設中には、200mm厚のセクションでローリングを行い、6回以上の通過が必要です。品質基準は表1にあります。
防霜土層建設の要点
高山地域のプレハブキャビン式変電所の防霜土層建設において、以下の点を厳格に管理する必要があります：
キャビン構造の断熱設計
高山地域の厳しい寒冷気候下では、キャビン内の温度は-30°C以下に下がる可能性があり、変電所の設備の安定稼働に大きな挑戦となります。そのため、キャビン内部環境を安定させるための体系的な断熱設計が必要です：
防霜土層建設の要点
高山地域のプレハブキャビン式変電所の防霜土層建設において、以下の点を厳格に管理する必要があります：
キャビン構造の断熱設計
高山地域の厳しい寒冷気候下では、キャビン内の温度は-30°C以下に下がる可能性があり、変電所の設備の安定稼働に大きな挑戦となります。そのため、キャビン内部環境を安定させるための体系的な断熱設計が必要です：
(1) 断熱材料の選択と構造
(2) 設置プロセスの最適化
梁なしドライハンギング技術を採用して、FC外壁パネル、岩綿パネル、方形鋼骨を接続します。特殊なハンガーと固定具を使用して断熱層を構造フレームワークと密着させます。この措置により、断熱層のシームレスな連続性が実現され、熱橋効果（金属フレームワークなどの熱伝導部を通じての熱損失）が避けられ、全体的な断熱効率が向上します。
(3) 密封詳細処理
岩綿サンドイッチパネルの舌と溝部分には、密度が≧30kg/m3の発泡ポリウレタンを使用して充填と密封を行います。この材料は塑性、気密性、高強度、非吸水性を特徴とし、サンドイッチパネルの両端（熱伝導率が≦0.024W/(m·K)）で高効率の密封環境を形成し、接合部での熱損失を大幅に削減し、高山環境下でのキャビンの断熱性能を確保し、極端な気候下でのプレハブキャビン式変電所の安定稼働のための堅固な基盤を築きます。
ヒーターケーブルの設置
電流がヒーターケーブルを通過すると、その抵抗が熱に変換され、周囲の環境を暖めます。高山地域のプレハブ変電所キャビンでは、20〜30W/mの出力を持つヒーターケーブルを選択します。この出力レベルは、電気設備の安全な動作範囲内で内部温度を維持するのに十分な熱量を提供します。
設置前に、フーリエの熱伝導法則を使用して詳細な熱評価を行い、重要なコンポーネントやパイプラインの加熱要求を計算します。数式は以下の通りです：
熱伝導計算において：
ヒーターケーブルの設置について：
固定：高強度のクリップ（ステンレス鋼クリップ、プラスチックストラップなど）を使用して、ケーブルを設備表面やパイプラインに固定し、クリップ間隔は30cm以下にすることで、移動を防ぎ、安定した熱伝導を確保します。
配置密度：トレンチや重要な設備では、ケーブルを10cm間隔で配置し、十分な熱量を提供し、凍結を防ぎます。
温度制御：K型熱電対を使用してケーブルの動作をリアルタイムで監視し、PID（比例-積分-微分）アルゴリズムと組み合わせて自動的に出力を調整し、必要な温度範囲内に保ちます。PIDの数式は式(2)に示されています。
換気装置の配置
高山地域では、極端に低い冬季の温度が変電所の設備（例えば変圧器、スイッチギア）と全体の安定性に影響を与えます。そのため、側壁に4つの軸流ファン（1.5 kW、(2000 m3/h)を対称的に設置して、均一な空気の流れを確保し、結露を防ぎます。
プレハブキャビン式変電所では、「上部取入口、下部排出口」の換気設計を採用しています。取入口と排出口の面積比は1:1.5 で、十分な換気を確保します。断熱ダクト（50 mm厚の岩綿、0.035 W/(m·K) の熱伝導率）と0.5 mm厚のアルミ箔で包まれたもので、熱損失を減らし、室内温度を安定させます。
二重電源供給
高山気候に適応するため、2台のS13 - M - 100/10油浸変圧器（100 MVA、10/0.4 kV）を主変圧器として使用します。独立した電源に接続し、並列運転（標準条件下で50%の負荷率）することで損失を減らし、寿命を延ばします。SCADAシステムはリアルタイムで負荷を監視し、バランスをとります。
緊急時（例えば1台の変圧器が故障した場合）、ATSスイッチは0.1秒以内に電源切り替えを行い、無縫な負荷引き継ぎと安定した電力供給を確保します。GB 50052 - 2009に基づき、2台のDKSC - 100/10リアクタ（100 A、6%リアクタンス）を使用して短絡電流を≦20 kAに制限し、過電圧による損傷を防ぎます。
結論
高山地域の極端な条件（低温、風、雪）は、プレハブキャビン式変電所の運用とメンテナンスにより高い標準を要求します。設計と建設には適切な断熱、加熱、防水措置、風雪に強い設備を含める必要があります。
今後の技術と実践の進歩により、これらの変電所はさらに最適化されます。スマートモニタリングとディスパッチシステムにより、遠隔管理と極端な気候への適応性が向上し、安定かつ安全な電力供給が確保されます。
