기반 110 kV 고압 GIS 스위치기어를 이용한 지능형 박스형 변전소 설계 연구

GIS 기반의 배전 장비 선택 및 설치

현재 일반적으로 사용되는 배전 장비는 주로 야외 개방형 공기 절연 스위치장치, 전통적인 실내 GIS, 강철 구조의 실내 GIS, 그리고 야외 하이브리드 GIS가 있습니다. 이 연구는 인도네시아의 변전소에서 지능형 조립식 변전소를 위한 배전 장비 설치를 완성하는 것을 목표로 합니다. 인도네시아의 대부분의 변전소는 복잡한 지형과 낮은 부하 밀도 지역에 위치해 있습니다. 현재 계획에 따르면, 지역 전력망 발전 전략은 기존 110 kV 라인을 이용하여 소용량 변전소를 건설하는 것입니다. 이를 바탕으로 전압 수준을 점진적으로 감소시켜 투자 효율성을 극대화하고 장비 활용도를 높이며 35 kV 변전소의 역할을 축소합니다. 인도네시아의 전력망 변전소는 대규모이며 투자와 장비 비용이 높고 건설 기간이 길어, 장비 선택과 배전 장비 설치에 대한 추가 최적화가 필요합니다.

야외 하이브리드 GIS는 회로 차단기와 분리기를 통합하며, 전통적인 모선을 사용합니다. 이러한 구성은 플랜지와 야외 장비의 수를 줄여 대상 지역의 토지 활용 효율을 높입니다. 또한 하이브리드 GIS 방식은 설치와 확장의 어려움을 줄여 산악지역과 구릉지역에서의 장비 설치와 유지보수를 용이하게 합니다.

인도네시아는 상대적으로 습기가 많고 고온일이 많은 기후를 가지고 있어 지능형 제어에는 엄격한 환경 요구사항이 있습니다. 인도네시아에서는 지능형 제어 캐비닛이 일반적으로 5% - 95%의 상대 습도 범위와 -5 - 55°C의 주변 온도 범위를 요구하며, 서리 형성이 허용되지 않습니다. 야외 제어 캐비닛의 냉각, 제습, 결로 방지를 위해 이 연구는 캐비닛 문 옆에 에어컨을 설치하는 방법을 채택합니다.

주 전기 배선에 대해서는 운영 중 신뢰성, 경제성, 가동성, 안전성을 보장해야 합니다. 110 kV 전기 배선의 단일 모선에 대해 분할 배선이나 다리형 배선이 일반적으로 채택됩니다. 다리형 배선은 회로 차단기가 적고 투자가 낮지만, 분할 배선보다 신뢰성이 낮고 후속 수정과 확장의 어려움이 더 큽니다. 따라서 이 연구에서는 회로 차단기를 사용하여 모선을 분할합니다. 이러한 분할 배선 방법을 통해 한 섹션의 모선이 실패하더라도 나머지 섹션이 정상적으로 전력을 공급할 수 있어 신뢰성을 보장합니다. 단일 모선 분할 배선은 비교적 간단하며 장비 구성 요소가 적고, 신뢰성과 가동성이 높습니다. 개선된 지능형 변전소의 구조는 도표 1에 표시되어 있습니다.

변전소 내의 변압기는 상태 검출에서 중요한 역할을 합니다. 투자 비용과 적용 시나리오를 고려하여, 이 연구 설계안은 유온라인 용해 가스 모니터링 장치와 온라인 철심 접지 전류 검출 장치를 사용합니다. 전자는 약 20만 위안(약 3만 달러)의 가격으로 주 변압기의 내부 절연을 검출하며, 후자는 철심 접지 전류를 실시간으로 검출합니다. 두 기술 모두 비교적 성숙하고 널리 적용되고 있습니다.

지능형 주 변압기는 일차와 이차 장비를 통합하여 상태 인식과 운전 상태 평가를 수행할 수 있습니다. 일상적인 유지보수와 모니터링 교대로 작업 부담을 줄이기 위해, 주 변압기의 냉각 방법으로 자연유순환 공랭식을 선택하였습니다.

하이브리드 GIS는 회로 차단기, 스위치, 전류 변환기를 하나의 엔티티로 통합하여 재구축 과정을 간소화하고 장비 수를 줄입니다. 또한 야외 하이브리드 GIS는 장비와 플랜지의 수가 적어 신뢰성과 부식 저항성이 높아, 대상 지역에서 우수한 성능을 발휘합니다. 하이브리드 GIS 베이 장비의 정격 전압은 126 kV이고, 정격 전류는 2000 A입니다. 각 하이브리드 GIS 베이 장비는 센서, 지능형 제어 캐비닛, SF₆ 가스 상태 검출 장치로 구성됩니다. 이러한 장치들은 가스 상태와 장비 작동 상태를 검출하여 고압 스위치의 디지털 측정, 정보 교환, 상태 조회 기능을 가능하게 합니다.

배전 장비 및 일반 레이아웃 최적화

원래의 지능형 변전소 설계에서, 지능형 단말 캐비닛과 하이브리드 GIS 제어-집합 캐비닛의 구성은 각 베이당 두 개의 캐비닛을 할당하는 방식을 따랐습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 많은 케이블 교차 루프를 초래하여 일상적인 유지보수에 불리합니다. 따라서 지능형 단말과 하이브리드 GIS 메커니즘의 2차 회로를 통합할 수 있습니다. 제어 패널, 잠금 루프, 비동기 루프, 비동상 루프 등을 지능형 단말에 통합하여 통합 설계를 달성할 수 있습니다.

지능형 제어 캐비닛의 최적화는 주로 세 가지 측면을 포함합니다: (1) 로컬 단말 소프트웨어 논리를 사용하여 하드웨어 연결 논리를 간소화; (2) 지능형 단말과 변전소 이벤트 기반 객체 기술을 통해 베이 간 통신을 가능하게 함; (3) 지능형 단말과 회로 차단기 제어 회로의 통합 설계를 통해 압력 잠금 루프 등의 중복 기능을 줄임. 이러한 회로 개선 외에도 원래의 제어-집합 캐비닛 내 지능형 단말의 배치는 유지되며, 지능형 제어-집합 캐비닛과 해당 장비 간의 연결이 최적화됩니다.

이 연구에서 제안된 설계안은 모듈식 조립식 캐빈 모델을 채택합니다. 변전소의 레이아웃은 대상 지역의 자연 조건과 공사 요구 사항을 기반으로 하며, 안전성, 신뢰성, 환경 친화성, 화재 방지, 운영 및 유지보수의 편의성을 갖추어야 합니다. 대상 지역에서는 110 kV 배전 장비와 주 변압기가 북쪽에서 남쪽으로 배열됩니다. 운송 요구 사항을 충족하기 위해 변전소 내에 원형 소방 통로가 설치되고, 현장 장비 설치는 최소화된 레이아웃을 사용합니다. 이러한 레이아웃을 통해 18%의 토지 면적을 절약할 수 있습니다. 설계안의 배전 장비 일반 레이아웃은 도표 2에 표시되어 있습니다.

배전 차원의 최적화에 관해서

연구에서 제안된 설계안은 하이브리드 GIS 장비를 두 줄로 배열하며, 110 kV 배전 장비는 야외 알루미늄-마그네슘 합금 지지 튜브 모선을 채택합니다. 표준 분할 베이 레이아웃은 일반적으로 양 끝에 소프트 커넥터 모선이 선형으로 배열되어 있어 횡방향 공간을 많이 차지합니다. 하이브리드 GIS 장비의 통합 덕분에 레이아웃은 더 컴팩트해집니다. 연구에서는 분할 베이의 횡방향 크기를 8 m로 설정하여, 이전보다 2 m 짧습니다. 표준 종방향 길이는 39 m입니다. 종방향 크기의 최적화를 위해 제안된 방안은 통합 장비를 사용하고, 진입선 구조를 제거하고, 모선 프레임워크를 수정하여 종방향 공간 점유를 줄입니다. 이러한 두 개의 개선을 통해 설계안의 종방향 크기는 25.2 m로, 표준 길이보다 13.8 m 짧아 장비 점유 공간을 효과적으로 줄입니다.

지능형 조립식 변전소의 성능 및 비용 분석

조립식 변전소 건설이 완료되면, 각 장비의 기능이 설계 요구 사항을 충족하고 장비와 소프트웨어 간의 정상적인 통신이 가능하도록 관련 조업 절차를 수행해야 합니다. 실험은 조립식 변전소의 각 스위치의 전류, 전압 값, 유효 전력, 변압기 온도, 전력 인자 등의 데이터를 기록하고 분석하여 변전소 장비의 안정적인 운전을 보장합니다. 그 중 변압기의 시간별 온도 값은 도표 3에 표시되어 있습니다.

도표 3(a)를 보면, A상, B상, C상의 온도 값이 비교적 안정적인 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있습니다. B상의 온도가 가장 높으며, 8:31부터 8:32까지 43.6°C를 기록했습니다. A상의 온도는 42.0 - 43.2°C 사이를, C상의 온도는 42.5°C 근처를 유지합니다. 도표 3(b)에서도 오후에 수집된 변압기 온도 값의 변동은 비교적 작습니다. 환경 변화로 인해 A상, B상, C상의 전체 온도 값은 아침 측정 값보다 높지만 여전히 정상 온도 범위 내에 있습니다. 14:32에 B상의 온도 값은 44.1°C였으며, 이때 A상과 C상의 온도 값은 각각 42.9°C와 42.6°C였습니다. 전체 측정 기간 동안 C상의 최저 온도는 42.2°C, 최고 온도는 43.7°C였으며, A상의 온도는 42.6 - 43.8°C 사이를 변동했습니다.

현장 테스트 데이터 분석 결과, 조립식 변전소의 데이터는 모두 설계 요구 사항을 충족하고 관련 수락 기준을 준수합니다. 경제적 효용성 측면에서, 수명 주기 비용 이론을 기반으로 110 kV 배전 장비의 다양한 비용을 분석하고 계산하며, 공기 절연 스위치장치 방안과 비교합니다. 비교 결과는 도표 4에 표시되어 있습니다.

도표 4에서, 최적화된 하이브리드 GIS 설계안의 초기 투자 비용은 241.3만 위안으로, 공기 절연 스위치장치 방안보다 13.3만 위안 높습니다. 이는 주로 하이브리드 GIS 설계안의 장비 구매 비용이 공기 절연 스위치장치 방안보다 높고, 설치 공사 비용도 약간 높기 때문입니다.

운영 및 유지보수 단계에서는 필요한 비용 비율이 상대적으로 작습니다. 최적화된 하이브리드 GIS 설계안의 변전소는 무인 변전소이므로, 정기적인 소량의 수작업 점검만 필요하며, 이는 일상적인 운영 및 유지보수 비용을 줄입니다. 따라서 운영 및 유지보수 비용은 공기 절연 스위치장치 방안보다 훨씬 낮습니다.

최적화된 하이브리드 GIS 설계안의 연간 고장 확률은 크게 감소하여 유지보수 비용이 크게 줄었습니다. 또한, 해체 비용은 공기 절연 스위치장치 방안의 89%에 불과합니다. 모든 요소를 고려하면, 최적화된 하이브리드 GIS 설계안의 수명 주기 비용 현재 가치는 공기 절연 스위치장치 방안보다 54.9만 위안 낮습니다. 또한, 110 kV GIS 지능형 변전소 방안은 전통적인 공기 절연 스위치장치 방안보다 우월합니다.

결론

도시 토지 자원을 절약하고, 건설 기간을 단축하며, 조립식 변전소의 경제성과 신뢰성을 향상시키기 위해, 이 연구는 회로 차단기와 분리기를 통합한 야외 하이브리드 GIS 설계안을 제안합니다. 회로 최적화와 단일 모선 분할 배선의 채택, 그리고 전체 레이아웃의 최적화를 통해 고장 수를 줄이고 유지보수 비용을 낮춥니다.

시험 결과, 변압기 온도 측정 중 A상, B상, C상의 온도 값은 비교적 안정적인 상태를 유지했습니다. 오전에는 A상의 온도가 42.0 - 43.2°C 사이를, C상의 온도는 42.5°C 근처를 유지했습니다. 오후에는 C상의 온도가 42.2°C에서 43.7°C 사이를, A상의 온도는 42.6 - 43.8°C 사이를 변동했습니다. 조립식 변전소의 데이터는 설계 요구 사항을 충족하고 관련 수락 기준을 준수합니다.

수명 주기 비용 분석에서, 최적화된 하이브리드 GIS 설계안의 초기 투자 비용은 241.3만 위안으로, 공기 절연 스위치장치 방안보다 13.3만 위안 높지만, 최적화된 하이브리드 GIS 설계안은 정기적인 소량의 수작업 점검만 필요합니다. 이는 일상적인 운영 및 유지보수 비용을 줄여, 운영 및 유지보수 비용이 공기 절연 스위치장치 방안보다 훨씬 낮게 만듭니다. 또한 유지보수 비용도 크게 줄어들었습니다. 계산 결과, 최적화된 하이브리드 GIS 설계안의 수명 주기 비용 현재 가치는 공기 절연 스위치장치 방안보다 54.9만 위안 낮아, 최적화된 110 kV GIS 지능형 변전소 방안이 전통적인 공기 절연 스위치장치 방안보다 우월함을 보여줍니다.

그러나 이 연구는 1차 변전소 설계만 분석하고 최적화하였으며, 향후에는 통신과 토지 건설을 종합적으로 고려하여 2차 변전소에 대한 더 포괄적인 지능형 설계가 필요합니다.