110 kV高圧GISスイッチギアに基づくインテリジェントボックス型変電所の設計研究

GISに基づく配電設備の選定と設置

現在一般的に使用されている配電設備には、屋外開放型空気絶縁スイッチギア、従来の屋内GIS、鋼構造屋内GIS、および屋外ハイブリッドGISがあります。本研究はインドネシアの変電所を対象とし、スマートプレファブ変電所のための配電設備の設置を完了することを目的としています。インドネシアの多くの変電所は地形が複雑で負荷密度が低い地域に位置しています。現行の計画では、地域の電力網発展戦略は既存の110 kV線路を利用して小容量の変電所を建設することです。この基礎において、電圧レベルを徐々に下げることで投資効率を最大化し、設備の利用率を高め、35 kV変電所の役割を軽減します。インドネシアの電力網の変電所は大規模で、投資額や設備コストが高く、建設期間も長いため、設備選定と配電設備の設置についてはさらなる最適化が必要です。

屋外ハイブリッドGISは、遮断器と分離器を統合し、従来のバスバーを使用します。この配置により、フランジと屋外設備の数を減らすことができ、対象地域での土地利用効率を高めることができます。さらに、ハイブリッドGIS方式は設置と拡張の難易度を低減し、山岳地帯や丘陵地帯での設備設置とメンテナンスを容易にします。

インドネシアは比較的湿度が高く、高温日が多い気候であるため、インテリジェント制御には厳しい環境要件があります。インドネシアでは、インテリジェント制御盤は一般的に相対湿度5% - 95%、周囲温度-5 - 55℃の範囲を要求し、霜の形成は許されません。屋外制御盤の冷却、除湿、結露防止のために、本研究では制御盤ドアの側面にエアコンを設置する方法を採用しています。

主な電気配線については、運転中の信頼性、経済性、操作性、安全性を確保することが重要です。110 kV電気配線の単一母線では、通常セクショナル配線またはブリッジ型配線が採用されます。ブリッジ型配線は遮断器の数が少なく投資額も低いですが、セクショナル配線よりも信頼性が低く、後続の改修や拡張の難易度が高いです。したがって、本研究では遮断器を使用して母線をセクション分けします。このセクショナル配線方式では、母線の一部が故障しても残りのセクションが正常に電力を供給し続けることができます。単一母線セクショナル配線は比較的シンプルで、設備部品が少ないため、高い信頼性と操作性を提供します。改良されたスマート変電所の構造は図1に示されています。

変電所内のトランスフォーマーは重要な設備であり、状態検出に重要な役割を果たします。投資コストと適用シナリオを考慮して、本研究の設計案では油中溶解ガス監視装置とオンライン鉄心接地電流検出装置を使用しています。前者は約20万人民元で、主変圧器の内部絶縁を検出するために使用され、後者は鉄心接地電流のリアルタイム検出に使用されます。両方の技術は比較的成熟しており、広く応用されています。

インテリジェント主変圧器は一次設備と二次設備を統合し、状態感知と動作状態評価を行うことができます。日常的なメンテナンスと監視シフトを容易にし、メンテナンス作業量を削減するために、主変圧器の冷却方法として自然油循環空冷を選択しました。

ハイブリッドGISは遮断器、スイッチ、電流変換器を一つのエンティティに統合し、設備の数を減らすことによって再構築プロセスを簡素化します。さらに、屋外ハイブリッドGISは設備とフランジの数が少ないので、高い信頼性と耐食性があり、対象地域で良好な性能を発揮します。ハイブリッドGISベイ設備の定格電圧は126 kV、定格電流は2000 Aです。各ハイブリッドGISベイ設備にはセンサー、インテリジェント制御盤、SF₆ガス状態検出装置が含まれています。これらの装置はガス状態と設備の動作状態を検出し、高圧スイッチのデジタル測定、情報交換、状態照会機能を可能にします。

配電設備の最適化と全体配置

元のスマート変電所設計では、インテリジェント端末盤とハイブリッドGIS制御収集盤の配置は、各ベイごとに2つの盤を割り当てるという方法でした。しかし、この方法は多くのケーブルクロスループを生じ、日常的なメンテナンスに不利です。そのため、インテリジェント端末とハイブリッドGIS機構の二次回路を統合することができます。制御パネル、連鎖回路、防跳回路、非同期回路をインテリジェント端末に組み込むことで、統合設計を達成できます。

インテリジェント制御盤の最適化は主に以下の3つの側面を含みます：(1) ハードワイヤロジックを局所端末ソフトウェアロジックに置き換えることにより回路を簡素化する；(2) インテリジェント端末と変電所イベント指向オブジェクト技術を通じてベイ間通信を可能にする；(3) インテリジェント端末と遮断器制御回路の統合設計を採用することで、圧力連鎖回路などの冗長機能を削減する。これらの回路改善に加えて、元の制御収集盤内のインテリジェント端末の配置は維持され、インテリジェント制御収集盤と対応する設備との接続が最適化されます。

本研究で提案する設計案では、モジュラー製プレファブキャビンモデルを採用しています。変電所の配置は対象地域の自然条件と工事要件に基づいて行われ、安全性、信頼性、環境適合性、火災保護、および操作・メンテナンスの利便性などの利点を持っています。対象地域では、110 kV配電設備と主変圧器は北から南に配置されています。輸送要件を満たすために、変電所内に円形の消防通路が設けられ、現場での設備設置は最小限のレイアウトを利用します。このレイアウトにより、18%の土地面積を節約できます。設計案における配電設備の全体配置は図2に示されています。

配電寸法の最適化について

研究で提案される設計案では、ハイブリッドGIS設備を2列に配置し、110 kV配電設備は屋外アルミニウムマグネシウム合金支持管バスバーを採用しています。標準的なセクショナルベイレイアウトは通常、両端に柔軟な導管バスバーを直線的に配置し、横方向に多くのスペースを占有します。ハイブリッドGIS設備の統合により、そのレイアウトはよりコンパクトになります。研究ではセクショナルベイの横寸法を8 mに設定し、これは以前よりも2 m短くなっています。標準的な縦寸法は39 mです。縦寸法を最適化するために、提案される方案では統合設備を使用し、入線構造を取り除き、バスバーフレームワークを修正することで、縦方向のスペース占有を削減します。これらの2つの改善により、方案の縦寸法は25.2 mとなり、標準長さよりも13.8 m短くなります。これにより、設備が占有するスペースが大幅に削減されます。

インテリジェントプレファブ変電所の性能とコスト分析

プレファブ変電所の建設が完了したら、関連する調整手順を実施し、各装置の機能が設計要件を満たし、装置とソフトウェア間で正常な通信が行われることを確認する必要があります。実験では、プレファブ変電所の各スイッチの電流、電圧値、有効電力、変圧器温度、および力率などのデータを記録し分析することで、変電所設備の安定稼働を確保します。その中でも、変圧器の時間別温度値は図3に示されています。

図3(a)を見ると、A相、B相、C相の温度値はすべて比較的安定した状態にあることがわかります。B相の温度は最も高く、8時31分から8時32分まで43.6℃に達します；A相の温度は42.0 - 43.2℃の範囲で変動します；C相の温度は42.5℃前後で安定しています。図3(b)では、午後に採取された変圧器の温度値の変動も比較的小さいです。環境の変化により、A相、B相、C相の全体的な温度値は朝の測定値よりも高いですが、依然として正常な温度範囲内にあります。14時32分には、B相の温度値は44.1℃、この時点でA相とC相の温度値はそれぞれ42.9℃と42.6℃です。測定期間全体を通じて、C相の最低温度は42.2℃、最高温度は43.7℃であり、A相の温度は42.6 - 43.8℃の範囲で変動します。

現場試験データの分析結果によると、プレファブ変電所のデータはすべて設計要件を満たしており、関連する受入基準にも適合しています。経済的有用性については、ライフサイクルコスト理論に基づいて、実験では110 kV配電設備の各種コストを分析計算し、空気絶縁スイッチギア方案と比較しています。比較結果は図4に示されています。

図4では、最適化されたハイブリッドGIS設計案の初期投資コストは241.3万元で、空気絶縁スイッチギア方案よりも13.3万元高くなっています。これは主に、ハイブリッドGIS設計案の設備調達コストが空気絶縁スイッチギア方案よりも高く、設置工事コストも若干高いためです。

運用保守段階では、必要なコストの割合は比較的小さいです。最適化されたハイブリッドGIS設計案の変電所は無人変電所であり、定期的な少量の手動点検のみが必要となるため、日常的な運用保守コストが削減されます。したがって、運用保守コストは空気絶縁スイッチギア方案よりも大幅に低くなります。

最適化されたハイブリッドGIS設計案の年間故障確率は大幅に減少し、維持コストも顕著に低下します。また、解体コストは空気絶縁スイッチギア方案の89%に過ぎません。これらすべての要素を考慮すると、最適化されたハイブリッドGIS設計案のライフサイクルコストの現在価値は、空気絶縁スイッチギア方案よりも54.9万元低くなります。さらに、110 kV GISインテリジェント変電所方案は従来の空気絶縁スイッチギア方案よりも優れています。

結論

都市の土地資源を節約し、建設期間を短縮し、プレファブ変電所の経済性と信頼性を向上させるために、本研究では遮断器と分離器を統合した屋外ハイブリッドGIS設計案を提案しています。回路の最適化と単一母線セクショナル配線の採用、全体配置の最適化により、故障数が減少し、維持コストが低下します。

試験結果によると、変圧器の温度収集において、A相、B相、C相の温度値は比較的安定しています。朝には、A相の温度は42.0 - 43.2℃の範囲で変動し、C相の温度は42.5℃前後で安定しています。午後には、C相の温度は42.2℃から43.7℃の範囲で変動し、A相の温度は42.6 - 43.8℃の範囲で変動します。プレファブ変電所のデータは設計要件を満たしており、関連する受入基準にも適合しています。

ライフサイクルコスト分析では、最適化されたハイブリッドGIS設計案の初期投資コストは241.3万元であり、空気絶縁スイッチギア方案よりも13.3万元高くなっていますが、最適化されたハイブリッドGIS設計案は定期的な少量の手動点検のみが必要となります。これにより、日常的な運用保守コストが大幅に削減され、運用保守コストは空気絶縁スイッチギア方案よりも大幅に低くなり、維持コストも顕著に減少します。計算結果によると、最適化されたハイブリッドGIS設計案のライフサイクルコストの現在価値は、空気絶縁スイッチギア方案よりも54.9万元低く、最適化された110 kV GISインテリジェント変電所方案が従来の空気絶縁スイッチギア方案よりも優れていることが示されています。

ただし、本研究では一次変電所設計のみを分析・最適化しています。今後、通信と土地建設を総合的に考慮して、二次変電所のより包括的なインテリジェント設計を行う必要があります。