전기 변전소 설계: 개요
전기 변전소는 전력 분배 네트워크의 필수적인 부분으로, 전력을 전송하고 분배하는 허브 역할을 합니다. 이러한 복잡한 시설은 일관적이고 효율적인 전력 공급을 보장하기 위해 철저한 계획, 설계 및 구현이 필요합니다.
이 게시글에서는 다양한 구성 요소, 레이아웃 문제 및 환경 요인을 포함하여 전기 변전소 설계의 기초를 살펴보겠습니다.
변전소 계획 기준
새로운 변전소 버스의 최대 고장 수준은 회로 차단기의 정격 파괴 용량의 80%를 초과할 수 없습니다.
20% 버퍼는 시스템 개발에 따른 단락 수준의 증가를 고려하기 위한 것입니다.
다양한 전압 수준에서 스위치 기어의 단락 제거 시간 능력과 단락 전류 중단 속도 및 발생 전류는 다음과 같이 계산될 수 있습니다:
| 고장 제거 시간 | 전압 수준 | 운영 시간 | 차단 전류 | 인정 전류 |
| 150 ms | 33 kV | 60-80 ms | 25 KA | 62.5 KA |
| 120 ms | 132 kV | 50 ms | 25/31.5 KA | 70 KA |
| 100 ms | 220 kV | 50 ms | 31.5/40 KA | 100 KA |
| 100 ms | 400 kV | 40 ms | 40 KA | 100 KA |
다양한 전압 수준에서의 단일 변전소의 용량은 일반적으로 초과되어서는 안 됩니다.
| 변전소 | 전압 수준 |
| 765 KV | 2500 MVA |
| 400 KV | 1000 MVA |
| 220 KV | 320 MVA |
| 110 KV | 150 MVA |
상호 연결 변압기(ICTs)의 크기와 수는 단일 장치의 고장이 나머지 ICTs나 기반 시스템을 과부하시키지 않도록 계획되어야 합니다.
고장난 차단기는 220KV 시스템에서는 4개 이상의 피더, 400KV 시스템에서는 2개, 765KV 시스템에서는 1개를 중단할 수 없습니다.
변전소 시스템 요구사항
| S.No | Technical Parameter Description | Units | System | |||||
| 1 | System Nominal Voltage | kVrms | 400 kV | 220 kV | 132 kV | 33 kV | ||
| 2 | System Maximum Voltage | kVrms | 420 kV | 245 kV | 145 kV | 36 kV | ||
| 3 | Power frequency withstand voltage | kVrms | 630 kV | 460 kV | 275 kV | 70 kV | ||
| 520 kV | ||||||||
| 4 | Switching surge withstand voltage | kVp | ||||||
| (for 250/2500ms) | ||||||||
| 1). Line-to-Earth | 1050 kVp | Not | Not | Not | ||||
| 2). Across Isolating Gap | 900kVp+345kVrms | applicable | applicable | applicable | ||||
| 5 | Lightning Impulse Withstand Voltage | kVp for 1.2/50(ms) | ||||||
| 1). Line-to-Earth | 1425 kVp | 1050 kVp | 650 kVp | 170 kVp | ||||
| 2). Across isolating gap | 1425 kVp+ 240kVrms | 1200 kVp | 750 kVp | 195 kVp | ||||
| 6 | One minute power frequency withstand value | |||||||
| Dry | ||||||||
| Wet | kVrms | 520 | 460 | 275 | 70 | |||
| kVrms | 610 | 530 | 315 | 80 | ||||
| 7 | System frequency | Hz | 50 | |||||
| 8 | Variation in frequency | % | 2.5 | |||||
| 9 | Corona extinction voltage | 320 kV | 156 kV | 84 kV | ||||
| 10 | Radio interference voltage | 1000 mV at | 1000 mV | 1000 mV at | ||||
| 266 kV | at 167 kV | 93 kV | ||||||
| 11 | System Neutral rating | Solidly earthed | ||||||
| 12 | Continuous Current Rating | 1600 A (or) 2000 A | 1600 A | 800 A | 600 A | |||
| 13 | Symmetrical fault current (ISC) | kA | 40 | 40 | 31.5 | 25 | ||
| 14 | Short circuit fault current duration | Second | 1 | 1 | 1 | 3 | ||
| 15 | Dynamic short circuit (ISC) current rating | kAp | 100 kA | 100 kA | 79 kA | 62.5kA | ||
| 16 | Conductor spacing for AIS layouts (Phase-to-Ground) | meter | ||||||
| Phase-to-Phase | meter | 6.5 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||
| 7 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||||
| 17 | Design ambient temperatures | oC | 50 | |||||
| 18 | Pollution level as per IEC-815 & 71 | III | ||||||
| 19 | Creepage -Distance | mm | 10500 mm | 6125 mm | 3625 mm | 900 mm | ||
| 20 | Maximum fault clearing time | ms | <100 | <100ms | <150ms | |||
| 21 | Bay Width | meter | 27 | 16.4-18 | 10.4.12.0 | 5.5 | ||
| 22 | Bus equipment interconnection height from ground | meter | 8 | 5.5 | 5 | 4 | ||
| 23 | Strung busbar height | meter | >15 | 10 | 8 | 5.5 | ||
용어
신뢰성: 전력 시스템의 신뢰성은 필요한 전압과 주파수에서 중단 없이 전력을 공급하는 것입니다. 버스바, 회로 차단기, 변압기, 격리 장치 및 조정 장치는 변전소의 신뢰성에 영향을 미칩니다.
고장률: 연간 평균 고장률입니다.
정지 시간: 정지 시간은 고장난 구성 요소를 수리하거나 다른 공급원으로 전환하는 데 필요한 시간을 의미합니다.
전환 시간: 정지 시작부터 전환 작업을 통해 서비스가 복구될 때까지의 시간입니다.
전환 계획: 버스 바와 장비의 배치는 비용, 유연성 및 시스템 신뢰성을 고려합니다.
상대 지면 간격: 변전소 상대 지면 간격은
도체와 구조물 사이의 거리.
활선 장비와 구조물 사이의 거리 &
활선 도체와 지면 사이의 거리.
상대 상 간격: 변전소 상대 상 간격은
활선 도체 사이의 거리.
활선 도체와 장치 사이의 거리 &
회로 차단기, 격리 장치 등 활선 단자 사이의 거리.
지면 간격: 인간이 서있을 수 있는 위치에서 활선 도체를 지탱하는 절연체의 가장 가까운 비지면 전위 부분까지의 최소 간격입니다.
구역 간격: 서있는 위치에서 가장 가까운 무차폐 활선 도체까지의 최소 간격입니다. 손을 편 사람의 높이와 상대 지면 간격을 사용하여 구역 간격을 계산합니다.
안전 거리: 이에는 지상 및 구간 거리가 포함됩니다.
변전소 정전기장: 전기를 공급받은 도체 또는 금속 부품은 정전기장을 생성합니다. EHV 변전소(400 KV 이상)는 전기를 공급받은 도체/금속 부분의 기하학적 구조와 근처의 접지된 물체 또는 지면에 따라 변화하는 정전기장을 가지고 있습니다.
일반적인 사항
송전선로,
부송전선로,
발전 회로, 그리고
승압 및 강하 변압기
변전소 또는 스위칭 스테이션에 연결됩니다.
66 KV부터 40 KV까지의 변전소는 EHV로 불립니다. 500 KV 이상에서는 UHV입니다.
EHV 변전소의 설계 고려사항과 방법은 유사하지만, 다양한 전압 수준에서 특정 요소들이 주요하게 작용합니다. 220 KV 이하에서는 스위칭 서지는 무시할 수 있지만, 345 KV 이상에서는 필수적입니다.
변전소 설계 기준 및 연구
변전소 설계 요구사항은 다음 연구를 통해 결정됩니다.
부하 흐름 연구
단락 회로 연구
일시적 안정성 연구
일시적 과전압 연구
부하 흐름 연구
변전소는 시스템 부하에 대한 신뢰성 있는 전력 송전을 보장합니다.
새로운 변전소(또는) 스위칭 스테이션의 전류 용량 요구사항은 모든 선로가 작동 중인 경우와 일부 선로가 유지보수 중인 경우의 부하 흐름 연구를 통해 결정됩니다.
여러 부하 흐름 조건을 평가한 후 장비의 계속 및 비상 상황 등급을 계산할 수 있습니다.
단락 회로 연구
지속적인 전류 등급 외에도 변전소 장비는 단시간 등급이 필요합니다.
이들은 장비가 단락 전류의 열과 기계적 압력에 손상 없이 견딜 수 있을 만큼 충분해야 합니다.
단락을 감지하는 보호 릴레이의 적절한 설정, 차단기의 중단 능력 제공, 포스트 절연체의 강도를 위해 필요합니다.
다양한 유형과 위치의 단락 및 시스템 구성을 위한 최대 및 최소 단락 전류를 확립해야 합니다.
순시 안정성 연구
정상적인 발전기의 기계적 입력은 발전기 손실을 포함하여 전기 출력과 같습니다.
이 상태가 지속되는 한 시스템 발전기는 50 Hz로 회전합니다. 기계적 또는 전기적 흐름의 어떤 방해도 발전기 속도가 50Hz에서 벗어나 새로운 평형점 주변으로 진동하게 됩니다.
매우 일반적인 방해는 단락입니다. 발전기 근처의 단락은 단말 전압을 낮추고 기계를 가속화합니다.
오류를 수정한 후 장치는 원래 상태를 복원하기 위해 과잉 에너지를 전력 시스템에 공급합니다.
전기 연결이 강할 경우 기계는 빠르게 감속되고 안정화됩니다. 약한 연결은 기계의 불안정을 초래합니다.
안정성에 영향을 미치는 요인들:
결함의 심각성,
결함 제거 속도,
결함 해결 후 기계와 시스템 간의 연결.
변전소의 순시 안정성은 다음과 같습니다
라인 및 버스 보호 릴레이의 유형 및 속도,
차단기 중단 시간, 그리고
결함이 해결된 후의 버스 구성.
마지막 항목은 버스 배치에 영향을 미칩니다.
주 릴레이 동안 결함이 해결되면 하나의 라인만 영향을 받습니다.
차단기 고장 릴레이 동안 차단기가 막히면 여러 라인이 손실될 수 있어 시스템 연결이 약해집니다.
순시 과전압 연구
순시 과전압은 번개 또는 회로 스위칭으로 인해 발생할 수 있습니다.
순시 네트워크 분석기(TNA) 연구는 스위칭 과전압을 결정하는 가장 정확한 방법입니다.
변전소 배치 레이아웃
변전소 배치는 다음을 포함하여 물리적 및 전기적 고려 사항에 의해 결정됩니다:
시스템 보안
운영 유연성
간편한 보호 배치
단락 전류 수준 제한
유지 관리 시설
간편한 확장
사이트 요인
경제성
시스템 보안
이상적인 소변전소는 각 회로에 대한 별도의 차단기를 포함하고 유지 관리 또는 결함 동안 버스바 또는 차단기를 교체할 수 있도록 합니다.
시스템 보안은 변전소의 무결성에 100% 의존하거나 주기적인 결함(또는) 유지 관리로 인한 일정 비율의 다운타임을 허용함으로써 결정될 수 있습니다.
더블 버스바 시스템과 더블 차단기 설계는 완벽하지만, 비싼 변전소입니다.
운영 유연성
모든 회로 연결 조건 하에서 MVA 및 MVAR 부하를 제어하는 것은 발전기 부하 효율에 필수적입니다.
부하 회로는 정상 및 비상 상황에서 최적의 제어를 제공하도록 그룹화되어야 합니다.
간편한 보호 구조
하나의 회로 차단기가 여러 회로를 제어하거나 더 많은 회로 차단기가 손상된 경우, 이는 버스 분할로 완화될 수 있습니다.
보호 계열이 간단하더라도 단일 버스 시스템은 복잡한 보호에 대해 빡빡합니다.
단락 수준 제한
변전소는 전체적으로 또는 리액터 연결을 통해 두 부분으로 나누어 단락 수준을 줄일 수 있습니다.
링 시스템에서 회로 차단기의 적절한 사용은 동일한 기능을 제공할 수 있습니다.
유지보수 시설
변전소 운영 중에는 계획된 또는 비상 유지보수가 필요합니다.
유지보수 중 변전소의 성능은 보호 조치에 따라 달라집니다.
간편한 확장
변전소 배치는 새로운 피더를 위한 베이 확장을 허용해야 합니다.
시스템이 개선됨에 따라 단일 버스 구성을 이중 버스 시스템으로 전환하거나 메시 변전소를 이중 버스 변전소로 확장할 필요가 있을 수 있습니다.
공간과 확장 시설이 제공됩니다.
현장 요인
변전소 계획을 위해서는 현장의 가용성이 필수적입니다. 제한된 장소에서는 덜 유연한 설계의 변전소 건설이 필요할 수 있습니다.
적은 수의 차단기와 간단한 도면을 가진 변전소는 더 적은 공간을 차지합니다.
경제성
경제성이 가능하다면 기술 요구 사항을 위한 개선된 스위칭 구조를 만들 수 있습니다.
변전소 및 스위칭 배열 배치
변전소 배치 및 스위칭 배열은 IEEE 141 에 따라 전력 분배 시스템의 효율성과 안전성을 보장하기 위해 신중하게 설계되어야 합니다.
변압기,
회로 차단기, 그리고
스위치
전압과 부하 요구사항에 따라 선택되어야 합니다.
공간을 최대화하고 유지보수를 용이하게 하며 확장이 가능하도록 레이아웃을 신중하게 계획해야 합니다. 버스바는 장비를 효율적으로 연결하고 회로는 전력 흐름과 안정성을 개선해야 합니다.
빠른 고장 감지 및 격리를 위해 강력한 보호 및 제어 시스템이 필요합니다. 규제 기준과 환경 문제는 안전성, 신뢰성, 환경 준수를 보장하기 위해 변전소 설계를 결정합니다.
EHV 레이아웃 및 스위칭 구성을 설계할 때 여러 측면을 고려해야 합니다:
신뢰성이 있으며 안전하고 우수한 서비스 연속성을 보장해야 합니다.
일반적인 변전소 버스바 구성 및 보호 방법은 다음과 같이 자세히 설명되어 있습니다:
전기 버스바란 무엇인가? 유형, 장점, 단점 &
버스바 보호 방식
다양한 버스바 구성을 통해 중복성, 운영 유연성, 유지보수 접근성 등 다양한 이점을 얻을 수 있습니다.
효율적인 버스바 레이아웃은 효과적인 전력 흐름을 보장하며 미래의 확장을 용이하게 합니다.
스위치 야드 구조
구조물은 버스 전기 장비를 지원하고 설치하며 송전선 케이블을 종료하는 데 필요합니다.
구조물은 철강, 목재, RCC 또는 PSC로 만들어질 수 있습니다. 주변 토양에 따라 기초가 필요합니다.
변전소는 그 장점 때문에 제작된 철강 구조물을 사용합니다.
The
상대간 거리,
지면과의 거리,
절연체,
버스 길이, 그리고
장비 무게
구조 설계에 영향을 미칩니다.
굽힘,
플랜지 부킹,
수직 및 수평 전단, 그리고
웹 파손
강재 빔 및 기어의 손상을 방지해야 합니다.
격자형 상자 기어는 신장의 1/10에서 1/15 사이여야 합니다. 일반적으로, 빔의 변형은 신장의 1/250을 초과할 수 없습니다.
구조 볼트와 너트는 직경이 16mm여야 하며, 경량 부하 구간에서는 12mm가 가능합니다.
기둥 및 기어의 설계 하중은 다음과 같이 구성되어야 합니다:
전도체 장력,
지선 장력,
절연체 및 하드웨어 무게, 그리고
분수 하중 (약 350kg),
작업자 및 도구 무게 (200kg)
풍하중 및 충격 하중
장비 작동 중입니다.
공중 전선의 다운로드 신장은 변전소 간판 구조물로 종료되어야 합니다. 수직으로 최대 +15도, 수평으로 최대 +30도까지 가능합니다.
야드 구조물은 페인트 칠하거나 핫딥 도금할 수 있습니다.
도금 강재로 만든 구조물은 최소한의 유지보수가 필요합니다.
그러나 일부 극도로 오염된 지역에서는 페인트 칠한 구조물이 더 나은 부식 저항성을 제공했습니다.
일반적으로 사용되는 위상 간격은 다음과 같습니다:
| 11 KV | 1.3 m |
| 33 KV | 1.5 m |
| 66 KV | 2.0 ~ 2.2 m |
| 110 KV | 2.4 ~ 3 m |
| 220 KV | 4.5 m |
| 400 KV | 7.0 m |
버스바 설계
변전소의 많은 구성 요소 간 연결을 용이하게 하기 위해 버스바는 변전소 전체에서 전기를 전송하는 도체 막대입니다.
버스바가 올바르게 설계되고 사이즈가 맞으면 전기 손실이 줄어들고 전력 분배가 더 일관되며 변전소 성능이 향상됩니다.
변전소 – 제어 시스템
변전소 자동화는 제어 시스템, 지능형 장치 및 통신 네트워크를 결합하여 운영과 효율성을 최적화합니다.
실시간 모니터링, 원격 제어, 데이터 분석 및 예측 유지보수는 자동화를 통해 신뢰성을 향상시키고 중단 시간을 줄입니다.
SCADA와 같은 고급 제어 시스템은 변전소 자동화, 데이터 수집 및 원격 제어를 개선합니다.
변전소 자동화는 집중적인 제어 및 모니터링을 위해 SCADA 시스템을 활용합니다.
SCADA 시스템은 전력 흐름을 향상시키고 빠른 의사결정 및 장애 해결을 위해 변전소 데이터를 수집합니다.
변전소 설계 – 통신 프로토콜
변전소 설계 아키텍처는 상호 운용성, 데이터 무결성 및 사이버 보안을 위해 IEC 61850, DNP3 또는 Modbus와 같은 신뢰할 수 있는 통신 프로토콜이 필요합니다.
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