変電所設計：入門

電気サブステーションは、電力供給ネットワークの重要な部分を構成し、電力の送電と配電のハブとして機能します。これらの複雑な施設は、一貫性と効率性のある電力供給を確保するために、厳格な計画、設計、実装が必要です。

この記事では、異なるコンポーネント、レイアウトに関する考慮事項、環境要因を含む、電気サブステーションの設計の基礎について見ていきます。

変電所計画基準

新しい変電所バスでの最大障害レベルは、回路遮断器の定格切断容量の80%を超えてはなりません。

20%の余裕は、システムの発展に伴う短絡レベルの増加を考慮するためのものです。

異なる電圧レベルでの開閉装置の切断電流および生成電流のレート、および障害クリアリング時間能力は、次のように計算できます：

さまざまな電圧レベルでの単一の変電所の容量は一般的に超えてはなりません。

接続変圧器（ICTs）のサイズと数は、単一のユニットが故障しても残りのICTsまたは基盤システムに過負荷がかからないように計画する必要があります。

固定されたブレーカーは、220KVシステムでは最大4つのフィーダーを中断し、400KVシステムでは2つ、765KVシステムでは1つまでしか中断できません。

変電所システム要件

用語

信頼性: 電力システムの信頼性とは、必要な電圧と周波数で電力を中断することなく供給することです。母線、遮断器、変圧器、分離装置、および制御装置は、変電所の信頼性に影響します。

故障率: これは年間平均故障回数を指します。

停止時間: 停止時間とは、故障した部品の修理または別の供給源への切り替えに必要な時間です。

切替時間: 停電開始からスイッチング操作によるサービス復旧までの時間です。

切替方式: 母線と設備の配置は、コスト、柔軟性、およびシステムの信頼性を考慮に入れて行われます。

相対地間隔: 変電所の相対地間隔は 

• 導体と構造物との距離。

• 通電中の設備と構造物との距離。

• 通電中の導体と地面との距離。

相間間隔: 変電所の相間間隔は 

• 通電中の導体同士の距離。

• 通電中の導体と機器との距離。

• 遮断器や分離装置などの通電中の端子間の距離。

地上間隔: 人が立つ必要のある場所から、通電中の導体を支持する絶縁体の最も近い非接地ポテンシャル部分までの最小間隔です。

セクショナル間隔: 立っている場所から最も近いスクリーニングされていない通電中の導体までの最小間隔です。手を伸ばした人の高さと相対地間隔を考慮してセクショナル間隔を計算します。

安全クリアランス： これは地面とセクションのクリアランスを含みます。

変電所の静電界： 帯電導体または金属部品は静電界を作り出します。EHV変電所（400KV以上）では、静電界は帯電導体/金属部分の形状と近接する接地物体または地面に依存して変化します。

一般

• 送電線、 

• 副送電線、 

• 発電回路、および 

• 昇圧・降圧トランスフォーマー 

変電所またはスイッチングステーションに接続します。 

66KVから40KVの変電所はEHVと呼ばれ、500KV以上のものはUHVと呼ばれます。

EHV変電所の設計上の懸念事項と方法は似ていますが、様々な電圧レベルでいくつかの要素が支配的になります。220KVまでではスイッチングサージは無視できますが、345KVを超えると必須となります。

変電所設計基準と研究

変電所の設計要件は以下の研究によって決定されます。

• 負荷フロースタディ

• 短絡スタディ

• 一時安定性スタディ

• 一時過電圧スタディ

負荷フロースタディ

• 変電所はシステム負荷への信頼性の高い電力供給を確保します。 

• 新しい変電所（または）スイッチングステーションの電流伝導需要は、全ての線路が運転中および選択された線路がメンテナンス中に停止している場合の負荷フロースタディによって決定されます。 

• 複数の負荷フロー条件を評価した後、設備の継続および緊急定格を計算することができます。

短絡スタディ

• 変電所設備には、連続定格電流の他に短時間定格が必要です。

• これらの定格は、設備が短絡電流による熱や機械的な圧力に耐えられるようにする必要があります。

• ブレーカーの遮断能力、支柱絶縁体の強度、および障害を検知する保護リレーの適切な設定を提供します。

• さまざまな種類と位置の短絡およびシステム構成に対する最大および最小の短絡電流を確立する必要があります。

一時的安定性研究

• 通常、発電機の機械的入力は発電機の損失を含む電気出力と等しくなります。

• これが続く限り、システムの発電機は50Hzで回転します。機械的または電気的な流れに何らかの障害があると、発電機の速度は50Hzから離れ、新しい平衡点を中心に振動します。

• 最も一般的な障害は短絡です。発電機近くでの短絡は端子電圧を低下させ、機械を加速します。

• エラーを修正した後、装置は過剰エネルギーを電力システムに供給して元の状態に戻します。

• 電気的な接続が強い場合、機械は急速に減速し安定します。弱い接続は機械の不安定さを引き起こします。

• 安定性に影響を与える要因には以下のものがあります：

• 障害の深刻さ、

• 障害のクリア速度、

• 障害解決後の機械とシステム間の接続。

• 変電所の一時的安定性は以下の要素に依存します：

• 線路およびバス保護リレーのタイプと速度、

• ブレーカーの遮断時間、および

• 障害がクリアされた後のバス構成。

• 最後の点はバス配置に影響を与えます。

• 一次リレー中に障害が解決されれば、1つの線路のみが影響を受けます。

• ブレーカーがブロックされた場合、ブレーカーフェイルリレー中に複数の線路が失われ、システムの接続が弱まります。

一時的な過電圧研究

• 一時的な過電圧は、落雷または回路の切り替えによって生じることがあります。

• 一時的なネットワークアナライザー（TNA）研究は、切り替え時の過電圧を決定する最も正確な方法です。

変電所配置レイアウト

変電所の配置は、以下の物理的および電気的考慮事項に基づいて決定されます：

• システムのセキュリティ

• 運用の柔軟性

• 保護配置の容易さ

• 短絡レベルの制限

• メンテナンス施設

• 拡張の容易さ

• サイト要因

• 経済性

システムのセキュリティ

• 理想的な変電所には、各回路ごとに別々のブレーカーがあり、メンテナンスまたは障害時にバスバーまたはブレーカーを交換することができます。

• システムのセキュリティは、変電所の完全性に100％依存することにより、または定期的な障害（または）メンテナンスによる一定のダウンタイムを許容することにより決定できます。

• 二重バスバーシステムと二重ブレーカー設計は完璧ですが、高価な変電所となります。

運用の柔軟性

• すべての回路接続条件でのMVAおよびMVAR負荷の制御は、発電機の負荷効率に不可欠です。

• 負荷回路は、通常時および緊急時の最適な制御を提供するためにグループ化する必要があります。

簡単な保護アレンジメント

• 1つの回路ブレーカーが多くの回路を制御している場合、またはより多くの回路ブレーカーが壊れている場合、これはバスセクショナリズムによって緩和できます。

• 保護継電装置が単純であっても、単一バスシステムは複雑な保護には硬直的です。

短絡レベルの制限

• 変電所は完全に、またはリアクタ接続を通じて2つの部分に分割することで、短絡レベルを減らすことができます。

• リングシステムにおける回路ブレーカーの適切な使用により、同様の機能を提供することができます。

メンテナンス設備

• 計画的または緊急のいずれかで、変電所の運転中にメンテナンスが必要です。

• メンテナンス中の変電所の性能は、保護規定に依存します。

簡単な拡張

• 変電所のレイアウトは、新しいフィーダーのためにベイの拡張を可能にする必要があります。

• システムが改善されるにつれて、単一バス配列からダブルバスシステムに切り替える必要が生じるかもしれません。また、メッシュステーションをダブルバスステーションに拡大する必要があるかもしれません。

• スペースと拡張設備が利用可能です。

サイト要因

• 変電所の計画において、サイトの可用性は重要です。限られた場所では、より少ない柔軟性を持つ駅の建設が必要になるかもしれません。

• より少ないブレーカーと単純なスキーマを持つ変電所は、より少ないスペースを占めます。

経済性

• 経済的に可能であれば、技術的な要件に応じた改良されたスイッチングアレンジメントを作成することができます。

変電所とスイッチングアレンジメントのレイアウト

変電所のレイアウトおよびスイッチングアレンジメントは、電力配電システムの効率と安全性を確保するために、IEEE 141に基づいて慎重に設計する必要があります。

• トランスフォーマー、

• 回路ブレーカー、および

• スイッチ

電圧と負荷の要件に基づいて選択する必要があります。

スペースを最大限に活用し、メンテナンスを容易にし、拡張を可能にするためには、レイアウトを慎重に計画する必要があります。バスバーは効率的に設備を接続し、回路は電力の流れと信頼性を改善する必要があります。

迅速な故障検出と隔離のために、堅牢な保護および制御システムが必要です。規制基準と環境上の懸念事項は、安全性、信頼性、環境適合性を確保するために変電所の設計を決定します。

EHVのレイアウトと切り替え構成を設計する際には、いくつかの側面を考慮する必要があります。

• それは信頼性が高く、安全で、優れたサービス継続性を確保する必要があります。

典型的な変電所のバスバースキームと保護については、以下の詳細で説明されています。

1. 電気バスバーとは何か？種類、利点、欠点 &

2. バスバー保護スキーム

異なるバスバーコンフィギュレーションは、冗長性、運用の柔軟性、メンテナンスのアクセス可能性において異なる利点を提供します。

効率的なバスバーレイアウトは、効率的な電力の流れを確保し、将来の拡張を容易にします。

スイッチヤード構造

バス電気設備をサポート・設置し、送電線ケーブルを終端するために構造物が必要です。

構造物は鋼、木、RCC、またはPSCで作ることができます。土壌の状況により基礎が必要です。

変電所はその利点から製造された鋼構造を使用しています。

• 相間クリアランス, 

• 接地クリアランス, 

• 絶縁子, 

• 母線長, 

• 機器重量 

構造設計に影響する。

• 曲げ, 

• フランジの屈曲, 

• 垂直および水平せん断力, および 

• ウェブの破壊 

鋼製ビームとガーダーの故障を防ぐ必要がある。 

格子箱型ガーダーは、スパンの1/10から1/15でなければなりません。通常、ビームの変位はスパン長の1/250を超えてはなりません。 

構造ボルトとナットは直径16mmでなければなりませんが、軽負荷部では12mmでも可能です。

柱とガーダーの設計荷重には以下のものが必要です：

• 導体の張力, 

• 地線の張力, 

• 絶縁子および金具の重量, および 

• 分担荷重（約350kg）, 

• 作業者および工具の重量（200kg） 

• 風荷重および衝撃荷重 

機器運転中。

架空送電線のダウンロードスパンは、変電所の門型構造によって終端されなければなりません。これは最大で垂直方向に+15度、水平方向に+30度まで傾くことができます。

ヤード構造物は塗装または溶融亜鉛メッキを行うことができます。 

亜鉛メッキ鋼で作られた構造物は最小限のメンテナンスしか必要ありません。 

ただし、一部の非常に汚染された地域では、塗装された構造物の方がより優れた耐食性を提供します。

通常使用される相間距離：

母線設計

変電所の多くのコンポーネント間の接続を容易にするために、母線は変電所全体で電力を伝送するために使用される導電性のバーです。

母線が適切に設計およびサイズ設定されると、電力損失が減少し、電力配分がより一貫性を持つようになり、変電所の性能が向上します。

変電所 – 制御システム

変電所の自動化は、制御システム、スマートデバイス、および通信ネットワークを組み合わせることで、操作と効率を最適化します。

リアルタイムモニタリング、リモートコントロール、データ分析、および予測メンテナンスは、自動化により信頼性を向上させ、ダウンタイムを削減します。

SCADAのような高度な制御システムは、変電所の自動化、データ収集、およびリモートコントロールを改善します。

変電所の自動化は、集中制御と監視のためにSCADAシステムを利用します。

SCADAシステムは、パワーフローを強化し、迅速に決定を行い、障害を解決するために変電所のデータを収集します。

変電所設計 – 通信プロトコル

変電所の設備と制御センターは、データの共有と制御を行うための効率的な通信ネットワークが必要です。

変電所設計アーキテクチャでは、相互運用性、データの整合性、およびサイバーセキュリティのために、IEC 61850、DNP3、またはModbusなどの信頼性の高い通信プロトコルが必要です。

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