극한의 추운 기후 조건에서의 프리패브 인클로저 변전소 운영 분석
전 세계적인 기후 다양성 하에서 고산 지역의 전력 시설 건설은 기술적 및 환경적 도전에 직면해 있습니다. 극단적인 기후, 복잡한 지질, 장기간의 낮은 겨울 온도, 그리고 빙설과 폭풍으로 인해 전기 장비의 안정성과 전력 시설 건설(일정, 비용, 유지 보수)에 부담이 가해집니다. 전통적인 현장 변전소는 건설 기간이 길고 적응성이 떨어져 고산 지역의 빠른이고 안정적인 전력 수요를 충족할 수 없습니다.
공장에서 제조된 모듈식 캐빈 변전소는 핵심 장비(고압 스위치, 변압기, 제어 시스템)를 통합하여 운송 후 현장에서 신속하게 조립할 수 있게 합니다. 이들은 환경 의존성을 줄여, 혹독하고 시간이 부족한 고산 지역에서 독특한 가치를 발휘합니다. 이 연구는 고산 전력 시스템 업그레이드와 전 세계적으로 유사한 환경의 전력 개발을 촉진하는 것을 목표로 합니다.
프로젝트 개요
이 프로젝트는 중국 서남부의 고산 지역에 위치해 있으며: - 8°C의 연평균 기온, - 30°C의 겨울 최저 기온, 5개월 이상의 빙설, 1m 이상의 지반 동결. 해발 3600m에 위치하며 6000m2(1200m2)의 건축 면적, 총 투자금액은 ¥55백만(¥33백만의 장비, ¥22백만의 건설).
2×120MVA 주 변압기(겨울 고 부하 충족), 8×10kV 배전반(전력 분배), 3km 저연기, 방동 케이블(추위에 적합). 8개월의 설계-건설 주기를 통해 극한 조건에서도 안정적이고 신뢰성 있는 전력을 확보하기 위한 것입니다.
방동 토양층 설치
고산 지역의 추위와 동결-융해 사이클은 토양의 동결 위험을 초래하여 변전소 기초와 캐빈을 위협합니다. 이를 해결하기 위해 GCL(열전도율 < 0.5W(m·K), 우수한 단열 성능)을 사용합니다. 0.8m 두께의 층은 동결 팽창을 방지합니다.
극한한 추위를 위해서는 먼저 CAT 336E 굴삭기로 동결 또는 오염된 표토를 제거합니다. 그 다음, 5~20mm의 자갈(300mm 두께)로 대체하여 지지력과 배수를 강화합니다. 400mm 두께의 이중 층 GCL(≥200mm 중첩, 간격 확인)이 따릅니다. 100mm 두께의 5~15mm 자갈 보호층이 GCL을 사용 중에 보호하기 위해 추가됩니다. 건설 중에는 200mm 두께로 구름대로 굴착하며, ≥6회 이상 굴착합니다. 품질 기준은 표 1에 나와 있습니다.
방동 토양층 건설의 주요 사항
고산 지역에서의 캐빈 변전소의 방동 토양층 건설 중 다음과 같은 주요 사항을 엄격히 관리해야 합니다:
캐빈 구조의 단열 설계
고산 지역의 혹독한 추운 기후 하에서는 캐빈 내부 온도가 -30°C 미만으로 떨어질 수 있어 변전소 장비의 안정적인 작동에 심각한 도전이 됩니다. 따라서 캐빈 내부 환경을 안정적으로 유지하기 위해 체계적인 단열 설계가 필요합니다:
방동 토양층 건설의 주요 사항
고산 지역에서의 캐빈 변전소의 방동 토양층 건설 중 다음과 같은 주요 사항을 엄격히 관리해야 합니다:
캐빈 구조의 단열 설계
고산 지역의 혹독한 추운 기후 하에서는 캐빈 내부 온도가 -30°C 미만으로 떨어질 수 있어 변전소 장비의 안정적인 작동에 심각한 도전이 됩니다. 따라서 캐빈 내부 환경을 안정적으로 유지하기 위해 체계적인 단열 설계가 필요합니다:
(1) 단열 재료의 선택 및 구조
(2) 설치 공정 최적화
Purlin-free dry-hanging 기술을 채택하여 FC 외벽 패널, 암면 패널, 사각형 강철 골조를 연결합니다. 특수한 거치대와 고정 장치를 사용하여 단열층을 구조 프레임과 단단히 결합합니다. 이러한 조치는 단열층의 무鏠 연속성을 실현하고, 열교 효과(금속 골조와 같은 열전도 부위를 통한 열 손실)를 방지하며, 전체 단열 효율을 향상시킵니다.
(3) 밀봉 세부 처리
암면 샌드위치 패널의 혀와 홈 부분에 밀도가 ≥30kg/m³인 발포 폴리우레탄을 사용하여 충전 및 밀봉합니다. 이 재료는 가공성, 기밀성, 고강도, 불흡수성 등의 특성을 가지고 있어, 샌드위치 패널 양쪽 끝에서 (열전도율 ≤0.024W/(m·K)) 매우 효율적인 밀봉 환경을 형성하여, 접합부에서의 열 손실을 크게 줄이고, 고산 환경에서 캐빈의 단열 성능을 보장하며, 극한 기후에서의 캐빈 변전소의 안정적인 운영을 위한 견고한 기반을 마련합니다.
난방 케이블 설치
전류가 난방 케이블을 통과할 때, 그 전기 저항이 열로 변환되어 주변 환경을 따뜻하게 합니다. 고산 지역의 캐빈 변전소를 위해 20~30W/m의 출력을 가진 난방 케이블을 선택합니다. 이 출력 수준은 전기 장비의 안전 운전 범위 내에서 내부 온도를 유지하기에 충분한 열 출력을 보장합니다.
설치 전에 Fourier의 열전도 법칙을 사용하여 중요한 구성 요소와 파이프라인의 난방 요구량을 상세히 평가합니다. 수학적 공식은 다음과 같습니다:
열전도 계산에서:
난방 케이블 설치:
고정: 고강도 클램프(예: 스테인리스 클립, 플라스틱 스트랩)를 사용하여 케이블을 장비 표면이나 파이프라인에 고정하며, 클램프 간격은 30cm 이하로 유지하여 이동을 방지하고 안정적인 열 전달을 보장합니다.
배치 밀도: 트렌치와 중요한 장비에서 10cm 간격으로 케이블을 배치하여 충분한 열을 제공하고 얼음을 방지합니다.
온도 제어: K-type 열전대를 사용하여 케이블의 작동을 실시간으로 모니터링하고, PID(비례-적분-미분) 알고리즘을 사용하여 출력 전력을 자동으로 조정하여 요구되는 온도 범위 내에서 유지합니다. PID 공식은 식 (2)에 표시되어 있습니다.
환기 장치 배치
고산 지역에서 극단적으로 낮은 겨울 기온은 변전소 장비(예: 변압기, 스위치기어)와 전체 안정성에 영향을 미칩니다. 따라서 4개의 축류 팬(1.5 kW, (2000 m3/h)을 측면 벽에 대칭적으로 설치하여 균일한 공기 흐름을 보장하고 응결을 방지합니다.
캐빈 변전소의 경우 "상부 흡기, 하부 배기" 환기 설계를 사용합니다. 흡기와 배기 구멍의 면적 비율은 1:1.5 로 충분한 공기 교환을 보장합니다. 50 mm 두께의 암면 단열 덕트(0.035 W/(m·K) 열전도율)와 0.5 mm 알루미늄 호일 포장을 사용하여 열 손실을 줄이고 실내 온도를 안정적으로 유지합니다.
듀얼 전원 공급
고산 기후에 적응하기 위해 두 개의 S13-M-100/10 유침 변압기(100 MVA, 10/0.4 kV)를 주 변압기로 사용합니다. 각각 독립적인 전원에 연결되어 병렬로 작동(표준 조건에서 50% 부하율)하여 손실을 줄이고 수명을 연장합니다. SCADA 시스템을 통해 실시간으로 부하를 모니터링하고 균형을 맞춥니다.
비상 상황(예: 한 변압기가 고장)에서는 ATS 스위치가 0.1초 이내에 전원 전환을 완료하여 원활한 부하 이관과 안정적인 전력 공급을 보장합니다. GB 50052-2009에 따라 두 개의 DKSC-100/10 리액터(100 A, 6% 반응)가 단락 회로 전류를 20 kA 이하로 제한하여 과전압 손상을 방지합니다.
결론
고산 지역의 극단적인 조건(낮은 온도, 바람, 눈)은 캐빈 변전소의 운영 및 유지 보수에 더 높은 기준을 요구합니다. 설계와 건설은 적절한 단열, 난방, 습기 차단 조치, 그리고 바람과 눈에 강한 장비를 포함해야 합니다.
미래의 기술과 실천의 발전은 이러한 변전소를 더욱 최적화할 것입니다. 지능형 모니터링 및 배치 시스템은 원격 관리와 극한 기후에 대한 적응성을 향상시켜 안정적이고 안전한 전력 공급을 보장할 것입니다.
