변전소 고압 구획용 프리패브 폐쇄 구조의 연구 및 적용

경제 발전은 변전소 건설의 효율성을 더욱 높일 필요성을 요구하며, 이로 인해 프리패브 캐빈 변전소 기술이 등장하게 되었습니다. 모듈식 설계를 통해 장비 배선, 시운전, 프리패브 작업은 공장에서 완료되며, 현장에서는 "레고 조립"만 필요합니다. 10kV 프리패브 고압실을 예로 들면, 장비와 캐빈은 공장에서 설치되며, 현장 작업은 버스바와 캐빈 조립에 국한됩니다. 주 변압기 입선은 벽 부싱을 통해 연결되고, 출선은 캐빈 아래 케이블 층을 통해 나가므로, 건설 주기를 크게 단축시키고 비용을 절감할 수 있습니다.

전통적인 변전소 고압실은 철근 콘크리트 구조를 사용하여, 토목공사부터 설치까지 최대 6개월이 소요되며, 전력망 건설 요구사항을 충족하지 못합니다. 또한, 재료 및 노동 비용이 높아 전체 비용이 상승합니다. 또한, 단일 구조는 먼지 방지, 단열, 환경 제어 기능이 부족하여, 고온은 장비 절연의 노화를 가속시키고, 절연 부위의 습기는 전기적 결함을 초래할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문은 프리패브 고압실 구조를 제안합니다. 공장에서의 프리패브와 시운전을 통해 현장에서 신속한 조립이 가능하며, 환경 제어와 장비 모니터링이 통합되어 있습니다. 고압 캐비닛 유닛, 케이블 샤프트 유닛 등으로 구성되어 공간 활용을 최적화하고 장비 유지보수를 용이하게 합니다.

1. 구조 모듈의 핵심 기술 원칙과 기능
1.1 프리패브 캐빈 유닛

최소 조립 단위로서, 장비 사전 설치를 통합합니다. 공장에서 생산된 스위치 기어와 제어 패널은 캐빈에 설치, 시운전, 사전 조립되어 운송을 위해 분해됩니다. 트레일러 크기에 맞게 사이즈 조정된 유닛은 현장에서 모듈식으로 조립됩니다: 캐비닛 스플라이싱, 버스바 및 전력 버스바 연결, 캐빈 결합을 통해 고압실을 형성합니다.

1.2 고압 및 케이블 샤프트 유닛

• 고압 유닛: 유지 보수 통로를 갖춘 6개의 스위치 기어 더블 로우 레이아웃.

• 케이블 샤프트 유닛: 중앙 공간을 세컨더리 케이블을 위한 수직 샤프트로 변환하여, 하부 케이블 층과 상부 제어실을 연결합니다. 샤프트 커버는 미관을 유지하며, 버스바는 안전성을 위해 후방 트렌치에 담겨 있습니다.

1.3 통신 및 제어 패널 유닛

중앙 스위치 기어를 제어 패널로 대체하여 일차 장비 데이터를 수집하고, 케이블 샤프트를 통해 제어실로 전송하여 원격 모니터링이 가능합니다.

1.4 문 장착 유닛

고압실 끝을 소방 탈출문으로 밀봉합니다. 먼지를 차단하는 두 번째 밀폐(도 2)를 사용하며, 문은 내구성을 위해 스테인리스 스틸 가장자리를 가진 경량 GRP-폴리우레탄 패널을 사용합니다.

1.5 프리패브 캐빈 유닛: 프레임 구조 및 하중 지지 설계

프리패브 캐빈 유닛은 프레임, 수직 스트럿, 벽으로 구성됩니다. 프레임은 H형 강철을 그루브 용접으로 격자형 구조로 용접하여, 캐빈 자체 무게와 내부 장비(스위치 기어, 제어 패널 등)를 지지합니다. 강철 프레임은 장비 설치를 위한 임베디드 기초 역할을 하며, 스위치 기어와 패널은 직접 장착되어 안정적인 하중 지지를 제공합니다.

1.6 수직 스트럿: 기계적 강화 및 상부 지지

수직 스트럿은 캐빈 유닛의 접합 가장자리에 배치되며, 각각 4개의 스트럿이 스위치 기어의 앞쪽과 뒤쪽 접합 면에 4개씩 배치되어 총 8개입니다. 정사각형 강관으로 제작되어 캐빈의 바닥과 상부 강철 프레임 사이에 수직으로 용접되며, 대각선 브레이스로 강화되어 기계적 강도를 향상시킵니다. 고압실의 전체 강성을 강화하는 동시에, 상부 프리패브 제어실을 위한 신뢰성 있는 지지를 제공하여 효과적인 하중 전달을 보장합니다.

1.7 벽 시스템: 단열, 방수, 구조 강화

캐빈 벽은 복층 복합 구조(내부 + 외부 벽)로, 단열재로 채워진 스냅형 복합 강판으로 구성됩니다.

• 내부 벽: 상하로 수직으로 잠금되어 수평 접합부가 있어 내부 미관과 습기 저항성을 개선합니다.

• 외부 벽: 좌우로 수평으로 잠금되어 수직 접합부가 있어, 빗물 유입을 방지하여 물 고임을 막습니다(도 3-4 참조).

플레이트는 접합 후 내부 볼트로 고정되며, 끝부분은 프레임에 용접됩니다. 교차 연결은 벽의 변형 저항성을 크게 향상시키며, 단열과 구조적 안정성을 모두 보장하여 외부 힘을 저항합니다.

1.8 작은 동물 방지 모듈

문과 통합된 카드 슬롯(문을 열 때 해충을 차단하는 배플을 보유)과 벽/코너 고정 포인트를 통한 스티키 트랩을 통합하여 작은 동물로부터의 이중 보호를 제공합니다.

1.9 온도 및 습도 제어 모듈

자동 온도 조절기, 산업용 난방기(장기간 저온 안정성), 분산형 에어컨을 결합하여 실시간 데이터를 통해 난방/냉방의 스마트한 켜짐/꺼짐을 제어하여 캐빈 내 조건을 안정적으로 유지합니다.

1.10 분산형 에어컨 시스템

고출력 산업용 에어컨 유닛 + 상부 덕트를 사용합니다. 차가운 공기가 바닥으로 내려가 자연 대류를 생성하여 균일한 온도 분포를 유지하고, 지역 과열을 방지하여 장비를 보호합니다.

1.11 순찰 로봇 모듈

스위치 기어 채널을 따라 이동하며, 로봇(회수 가능한 감지기 장착)은 내비게이션을 통해 자동 위치 설정합니다. 360° 검사(AI 인식, 적외선 온도, 부분 방전)를 수행하여 실시간 데이터를 전송하여 숨은 위험 진단을 수행하며, 수동 점검을 대체합니다.

1.12 조명 모듈

듀얼 모드: 유지보수용 내장 LED 채널 조명 + UPS 전원 긴급 조명(교차 설치, 경고 표시)으로, 정전 시에도 안전한 가시성을 보장합니다.

1.13 공기 입구/출구

상부 입구 + 하부 출구로 대류를 형성합니다. 트렁크 형태(도 5)로, 하향식 외부 벤트(사전 필터링된 모래망)와 미로형 덕트(공기 속도를 줄이고 먼지 잡기) 및 고보호 필터를 통해 환기와 먼지 제어를 균형있게 합니다.

1.14 고리형 접지 버스바 설계

고리형 접지 버스바는 열처리 도금 평강으로 제작되어 고압실 벽면을 따라 공개적으로 설치됩니다. 일차 장비 접지, 보호 접지, 유지보수 접지를 연결하며, 충분한 수의 수동 접지 단자를 제공하여 "다섯 가지 예방" 요구사항을 충족하고 안전한 유지보수 접지를 보장합니다. 버스바에서 4개의 부드러운 구리 선이 캐빈 바닥을 통해 주 접지 그리드와 신뢰성 있는 연결을 형성하여 전역 접지 시스템을 구축합니다.

2 핵심 기술 분석

프리패브 캐빈형 고압실은 세 가지 핵심 기술을 통해 신속한 변전소 건설, 환경 최적화, 안전한 운영을 달성하며, 안정적인 10kV 스위치 기어 운영을 지원합니다:

2.1 케이블 층의 집약적 레이아웃

토목 공사 중에는 고압실 기초와 케이블 층만 건설되며, 프리패브 캐빈은 도착 후 케이블 층 위에 직접 조립됩니다. 전용 계단(FRP 우천 보호막 양측 구성)이 추가되며, 하부 배수 웰은 습지로 연결되어 폭우 배수를 수행합니다. 이는 소방 탈출 기준을 충족하고, 운영자가 케이블 층에 접근하기 쉽게 합니다.

2.2 공장 프리패브 및 조립

프리패브 캐빈 유닛은 전기 장비 요구 사항에 따라 공장에서 구성 및 사전 조립되며, 현장에서 신속한 조립을 위해 분해됩니다. 공장 설치는 환경 또는 인력 요인으로 인한 현장 품질 문제를 피하며, "캐빈-캐비닛 통합" 배송을 통해 건설 작업량을 줄이고 복잡한 지형에 적응하며, 시간과 비용 측면에서 큰 이점을 제공합니다.

2.3 공간 최적화된 이중층 구조

고압실 위에 프리패브 제어실을 건설할 수 있습니다. 이중층 설계는 선택된 스위치 기어 위치를 세컨더리 케이블 샤프트로 변환하여 케이블이 상부 제어실로 통과하도록 하여 공간 활용을 개선하고 케이블 길이를 줄입니다. 정사각형 강관 수직 스트럿과 대각선 브레이스는 기계적 강도를 향상시키며, 이중층과 점검 로봇 트랙을 지원하여 공간 재활용을 가능하게 합니다.

3 기술적 장점
3.1 다기능 모듈 통합

작은 동물 방지, 온도-습도 제어, 순찰 로봇 모듈의 통합으로 고압실은 먼지 방지, 단열, 환경 조절, 장비 모니터링 기능을 갖추어 전력 장비의 "지능형 운반체"를 창출합니다.

3.2 전체 수명주기 환경 보장

자동 온도-습도 제어 및 분산형 에어컨은 캐빈 내 조건을 안정적으로 유지하여 장비 신뢰성과 운영 편의성을 향상시키며, 고온으로 인한 절연 노화 및 단락 위험을 방지합니다.

4 적용 사례

중국 남방 전력그룹의 2018년 신기술 시범 적용 계획에 따라, 중산 전력공급국은 110kV 통푸 변전소에서 프리패브 기술을 적용하여 6개월 내에 건설(토목, 설치, 시운전 포함)을 완료했습니다. 이를 통해 전통적인 일정 문제를 해결하였으며, 건설 재료 비용은 25% 감소하였습니다. 10kV 프리패브 고압실은 신뢰성 있는 구조, 합리적인 장비 배치, 완벽한 환경 시스템을 특징으로 하며, 전기 장비와 캐빈의 유기적 통합을 통해 장기적인 안정적인 운영을 달성합니다.

운영 후, 장비 위험 감소, 환경 최적화, 전력 공급 신뢰성 향상으로 긴급 수리 비용이 절감되었으며, 10kV 피더 부하 공급이 보장되어 상당한 경제적 및 사회적 이익을 창출하였습니다.

5 결론

전통적인 철근 콘크리트 고압실의 "긴 건설 기간, 불량한 환경, 약한 지능형 O&M" 문제를 해결하기 위해, 본 논문은 프리패브 캐빈형 솔루션을 제안합니다: 공장에서 캐빈과 장비의 디버깅을 거친 후, 분해 운송 후 현장에서 "레고 조립"을 진행합니다. 스냅 피팅 단열 캐빈, 샤프트 케이블 배치, 다기능 모듈 통합을 통해 효율적인 건설과 환경 최적화를 가능하게 합니다.

이 구조는 장비의 전체 수명주기 안전을 지원하며, O&M을 간소화하고 넓은 보급 가치를 제공하여 스마트 변전소 건설에 혁신적인 방법을 제시합니다.