高圧・低圧プリファブ変電所の分類と発展動向の分析
1. はじめに
高圧/低圧プリファブ変電所、一般的には「プリファブ変電所」または「箱型変電所」と略されます。中国では過去、「組合せ変電所」「組合せ変圧器」「工場組み立てコンパクト変電所」「箱型高圧受電装置」「プリファブコンパクト変電所」などと呼ばれています。1995年11月、国際電気標準会議（IEC）はIEC 1330規格で正式に「高圧/低圧プリファブ変電所」と命名しました。現在の規格GB/T 17467-2020「高圧/低圧プリファブ変電所」も「高圧/低圧プリファブ変電所」という用語を使用しており、以下では「プリファブ変電所」と略して記述します。
プリファブ変電所の主な特徴は以下の通りです：
製品の設計と製造は工場内で完了します。
GB/T 17467規格で規定された型式試験によって検証されます。
工場試験を通じて検証されます。
その基本構成は、変圧器室、高圧スイッチ室、低圧スイッチ室の3つの機能ユニットからなります。内部に組み込まれた主要部品（規格では、変圧器、高圧スイッチギア、低圧スイッチギアなどが主要部品として定義されています）は、型式試験と工場試験を通じて合格が確認されています。これらの部品は必要に応じて相互に接続され、共有のハウジングまたはボックス内に組み立てられてプリファブ変電所製品を形成します。典型的な方式は、GB/T 17467の要件に基づいて型式試験により検証され、その後工場試験を通過した後ユーザーに納品され、設置および使用されます。これが典型的なプリファブ変電所の基本的な構造形式です。
実際の応用では、自動化装置、通信ユニット、ビデオ監視システム、制御電源システム、消防システムなどがプリファブ変電所に統合され、異なる作業条件でのプリファブ変電所の機能要件を満たす重要な構成要素または補完要素となっています。
プリファブ変電所の主な利点には、高い統合性、小さな敷地面積、短い建設期間、柔軟な設置場所選択、強い環境適応性、便利な設置と使用、安全で信頼性の高い運転、低い投資、そして迅速な結果があります。
近年、風力発電や太陽光発電などの新エネルギー発電分野やエネルギーストッレージ分野で、プリファブ変電所は急速に発展し、広範な応用を見せており、電気エネルギーの送電または交換を可能にしています。
プリファブ変電所の応用シナリオ：配電網では、プリファブ変電所は電圧降下を通じて電気エネルギーを分配し、エンドユーザーの要求を満たします。発電システムでは、電圧昇圧と並列接続を通じて発電側から電力網への電気エネルギーの送電を実現します。
プリファブ変電所に装備される変圧器の定格容量と電圧レベルは、変電所の規模と構成を測る重要な指標です。通常、変圧器の定格容量が約10,000 kV・A、電圧レベルが40.5 kV以下のプリファブ変電所では、変圧器とスイッチギアまたは他の設備が全体として組み立てられたり、別々のモジュールで現場に輸送されてから全体として組み立てられます。
変圧器の容量が31,500 kV・Aを超える場合、補助スイッチギアその他の補助設備はプリファブ変電所の箱内に設置され、主変圧器は屋外に設置されます。複数の主変圧器があり、最終的にこれらが接続されて完全な変電所を形成し、電気エネルギーの送電または交換を可能にします。この記事では、産業の発展方向や製品の主な特性などの観点からプリファブ変電所を分類し、変電所分野におけるその発展動向を分析します。
2. プリファブ変電所の一般的な分類方法
実際の応用では、プリファブ変電所は変圧器の定格容量と構造特性、定格電圧レベル、主要部品、箱の材料と構造形式、応用シナリオ、主目的などにおいて大きく異なります。また、応用分野の違いにより、業界標準や製品検証方法も異なります。以下では、異なる次元または主な特性に基づいてプリファブ変電所を分類します。
1) 高圧側の定格電圧レベルによる分類
プリファブ変電所は、高圧側の定格電圧レベルに基づいて、高圧プリファブ変電所、中圧プリファブ変電所、低圧プリファブ変電所に分類されます。高圧プリファブ変電所の高圧側の定格電圧は110 kV以上、中圧プリファブ変電所は3.6〜40.5 kV、低圧プリファブ変電所は1.14 kV以下です。
高圧プリファブ変電所は一般に電力負荷の中心に近い場所に設置され、モジュラー製造と現場施工を組み合わせた変電所建設方式を採用しています。変圧器の高圧側の電圧レベルが高く、単体容量が大きく、一次および二次の補助設備が多く含まれています。
中圧プリファブ変電所は通常、発電システム、配電網の末端、または一時的な電力供給シナリオで使用されます。その方式構成は比較的単純で、変圧器容量は比較的小さく、製造過程も比較的簡単です。低圧プリファブ変電所は一般に、特定の機能要件を満たすために二次制御装置、補助装置、または低圧スイッチギアを内部に設置します。
2) 使用または設置環境による分類
使用または設置環境に基づいて、室内プリファブ変電所と室外プリファブ変電所に分類されます。一般的に言及されるプリファブ変電所は通常、室外タイプを指します。また、一部の工場、建物、または比較的小さい電力負荷を持つ室内電気設備の近くでは、補助的なプリファブ変電所は室内プリファブ変電所となります。その使用環境または保護レベルは室外プリファブ変電所よりも良く、製品自体は環境保護と安全性に関する要件が少し低いです。
3) 製品設置方法による分類
製品設置方法に基づいて、固定プリファブ変電所と移動プリファブ変電所に分類されます。通常、プリファブ変電所は基礎に固定して設置され、使用中に設置位置は変更されません。
いくつかの応用シナリオ、例えば鉱山、油田、建設現場、一時的なメンテナンス電力供給シナリオでは、建設進度とともにプリファブ変電所の位置を変更する必要があります。移動プリファブ変電所には、車輪付きプリファブ変電所とスキッドマウントプリファブ変電所の2種類があります。プリファブ変電所の電力供給位置を移動する必要がある場合、トレーラーまたはセミトレーラーを使って牽引して輸送することができます。
4) 箱製造に使用される材料による分類
プリファブ変電所の箱の製造に使用される材料の違いに基づいて、鋼板タイプ、非金属タイプ、ステンレス鋼板タイプ、アルミニウム合金タイプ、彩鋼複合板タイプ、金榜板タイプ、マグネシウムアルミニウム亜鉛メッキ板タイプ、コンテナタイプなどに分類できます。主な特徴は、プリファブ変電所の箱の材料や構造形式が異なり、ユーザーまたは使用要件の異なるニーズを満たすことができます。
5) 箱の外観または環境との適合度による分類
プリファブ変電所が周囲の使用環境に対する特別な要件に基づいて、さらに普通タイプ、景観タイプ（例えば、箱の表面に中国の古典建築、ヨーロッパ建築、芸術的な造型、または風景画を模倣したスタイル）などに分類できます。例えば、公園で使用されるプリファブ変電所は、公園の環境に合わせた亭や建物の形状を持ち、表面には風景画や異なる色調で装飾されています。
6) 異なる設置方法による分類
プリファブ変電所と基礎との結合度合いに基づいて、地上プリファブ変電所、半埋設プリファブ変電所、全埋設プリファブ変電所に分類されます。地上プリファブ変電所は、基礎の上にプリファブ変電所全体を設置します。半埋設プリファブ変電所では、三つの基本的な機能室のうち高圧スイッチ室と低圧スイッチ室は基礎の上にあり、変圧器室は基礎の下に沈んでいます。
製品の全体的な体積は比較的小さくなります。全埋設プリファブ変電所は、製品全体が基礎に沈んでおり、基礎の上には点検用マンホール開口部または通気孔のみが露出しています。このタイプの製品は特に都市中心部や人口密集地の中心部に適しており、製品が使用環境に与える視覚的な影響を減らし、製品の運転時の安全性と信頼性を向上させます。
7) 機能室の異なる配置方法による分類
プリファブ変電所の三つの基本的な機能室（高圧室、低圧室、変圧器室）の異なる配置または組み合わせに基づいて、さらに「目」形プリファブ変電所、「針」形プリファブ変電所、「H」形プリファブ変電所、「ダンベル」形プリファブ変電所、「田」形プリファブ変電所などに分類できます。
「目」形プリファブ変電所では、変圧器室が中央に配置され、高圧室と低圧室が両側に配置されています。その全体的なレイアウトは漢字の「目」に似ています。「針」形プリファブ変電所では、三つの機能室が一緒に配置され、漢字の「針」の形状に似ています。
「H」形プリファブ変電所では、高圧室と低圧室が別々の箱に作られ、液浸変圧器の帯電部分は完全に閉鎖され、二つの箱の間に配置されています。また、変圧器の両側にメッシュシールドを採用して簡易な保護と隔離を行い、変圧器の運転時の熱放出条件を改善しています。「ダンベル」形プリファブ変電所では、実際には一組の高圧スイッチギア、二組の変圧器と低圧スイッチギアがあります。
高圧室は箱の中央にあり、変圧器室と低圧室はそれぞれ変圧器室の両側にあります。各機能室の全体的なレイアウトは「ダンベル」の形状になっています。「田」形プリファブ変電所では、低圧室は二つの独立した区画（低圧スイッチ室と自動化室）に分割され、高圧室と変圧器室と共に全体的なレイアウトは漢字の「田」の形状になります。
8) 慣習的な呼称による分類
製品の主な特性と慣習的な呼称に基づいて、プリファブ変電所は欧州式変電所、アメリカ式変電所、中国式変電所に分類されます。
プリファブ変電所の主要ユニット（高圧スイッチギア、低圧スイッチギア、変圧器）はすべて、型式試験後に確定された標準製品です。当初は主にドイツなどのヨーロッパ諸国から導入され、「欧州式変電所」として知られています。主な特徴は、主要部品の相互接続と組み合わせ、柔軟かつ多様な設計案、変圧器の拡張性が高いことです。現在、配電網と発電システムの両方で広く使用されています。
JB/T 10217規格によれば、アメリカ式変電所は、高圧スイッチが変圧器油タンクに設置され、変圧器油が絶縁材および消弧媒体として使用され、低圧スイッチが低圧箱に設置されたプリファブ変電所です。例えば、アメリカのクーパー社が代表する10 kV経済型プリファブ変電所は一般的に「アメリカ式変電所」として知られています。
アメリカ式変電所の主な特徴は、高圧負荷スイッチ、変圧器コア、コイルなどが同じ油タンクに浸漬され、変圧器油が絶縁材、消弧媒体、冷却媒体として共用されることです。二重フューズ保護を採用し、フューズには電流と温度の両方の敏感性があります。これにより、変圧器保護の感度と信頼性が大幅に向上します。アメリカ式変電所の主な利点は、小型、構造がコンパクト、シンプルで経済的であることです。
ただし、欠点も明らかで、例えば変圧器油の絶縁性能が急速に低下し、方式が単純で柔軟性が低いことなどがあります。高圧スイッチの切断と閉鎖によって生成されるアークは、変圧器油の品質を悪化させます。現在、10 kVのアメリカ式変電所は配電網でほとんど使用されず、淘汰または制限されている製品とされています。
改良とアップグレード後、10 kVのアメリカ式変電所は電圧レベルを35 kVに引き上げ、新エネルギー発電システムに適用されています。構造がコンパクト、敷地面積が小さく、製造コストが低いことから、ますます推奨され、使用されています。
近年、風力発電や太陽光発電などの新エネルギーシステムで使用されるプリファブ変電所は、主に発電側の低い電圧レベルからの電気エネルギーを35 kVの高圧変電所に送電する機能を持っています。変圧器の容量はますます大きくなっています。「欧州式変電所」の形式で設計すると、変圧器は変圧器室に密閉して設置され、発生する熱を外部に放出するのが困難です。
ファンや熱交換器などの追加設備が必要になります。そのため、比較的コンパクトな構造で、液浸変圧器を箱の外部に設置したプリファブ変電所が登場しました。その主な特徴は、変圧器を屋外に設置することで、変圧器の安全保護と熱放出の問題を解決し、製造コストを大幅に削減することです。外観的には「アメリカ式変電所」に似ていますが、本質的には「欧州式変電所」に属します。業界で初めて登場したときには「コンパクトプリファブ変電所」と名付けられましたが、中国で最初に成功裏に開発され、実際のエンジニアリングプロジェクトに適用されたため、業界では一般的に「中国式変電所」として知られています。しかし、その製品特性はGB/T 40823規格の要求により適しています。
3. プリファブ変電所の発展動向
プリファブ変電所の発展動向は、以下の異なる観点から分析します。
1) 箱製造材料と構造形式の多様化
最も直感的かつ目に見える変化は、プリファブ変電所の箱の構造形式が多様化している傾向にあることです。これは箱の形状、色、材料から観察することができます。箱は周囲の環境と調和しなければなりません。例えば、欧州式変電所は通常地下1 mに沈められ、地上部は1.5 m以下で、遠距離からの視界を妨げず、子供たちが遊ぶ際に怪我をする危険もありません。使用される材料は非金属で、環境に優しく、周囲の環境と容易に調和します。
一般的な外殻の材料には、普通の鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム合金板、彩鋼複合板があります。数年前からはガラス繊維強化セメント板、ガラス繊維強化プラスチック板、非金属材料も使用されるようになりました。また、同じ箱に複数の材料を使用することもあります。例えば、普通の箱の外側に木製ボードや釉薬タイル装飾板を装飾し、二層構造の間層にEPS（発泡ポリスチレン）、ガラス繊維、アスベスト、アルミノシリケートウールなどの断熱材料を使用します。
腐食耐性、火災耐性、故障アーク耐性において、非金属材料のシェルは金属材料のシェルよりも著しく優れています。一部のプリファブ変電所は金榜板をシェル材料として使用しており、環境に優しい、軽量、高強度、音響遮断、断熱、防水、防火、腐食耐性といった特徴があります。
2) SF6ガス絶縁スイッチギアの強力な推進と応用
40.5 kV以下の電圧レベルのプリファブ変電所では、高圧側は一般的に空気またはSF6ガスで絶縁された遮断器または負荷スイッチを使用し、一部の製品では変圧器油を絶縁媒体とする負荷スイッチを使用しています。
12 kVのプリファブ変電所では、変圧器容量が通常1,250 kV・A未満であるため、組み合わせ電気機器（負荷スイッチ + フューズ）または負荷スイッチがますます使用されています。遮断器を使用して変圧器を保護すると、故障回線を切断する時間が若干長くなるため、重要な設備（例えば変圧器）の保護には不利です。しかし、組み合わせ電気機器のフューズは20 ms以内に故障電流を切断することができます。
12 kV電圧レベルの負荷スイッチユニットには、ガス発生負荷スイッチキャビネット、真空遮断器スイッチキャビネット、真空負荷スイッチキャビネット、およびSF6ガス絶縁スイッチギアがあります。現在、SF6ガス絶縁スイッチギアがプリファブ変電所で最も広く応用されており、高度、信頼性、安全性、サイズ、特殊な応用環境において明確な利点があります。
3) 変圧器の性能向上と通風・放熱
12 kVのプリファブ変電所では、液体浸漬変圧器と乾式変圧器が一般的に使用され、それらの絶縁性能と無負荷および負荷損失値がさらに最適化されています。高層ビルでは、変圧器からスイッチギアまで、不燃性の材料を含まず、変圧器油に汚染されにくい乾式変圧器が要求されます。
変圧器の通風と放熱の原理は、主に自然通風に依存し、強制空冷を補完します。一般的な強制空冷方法は、変圧器室の天井または箱壁パネルにファンを設置して箱内の空気を排出し、室内の熱空気の循環を促進します。時には変圧器の下にもファンを設置して冷たい空気を内部に供給し、良好な放熱効果を得ることもあります。
4) プリファブ変電所の内部故障アーク
プリファブ変電所では内部故障アークが発生する可能性があります。対策は能動的対策と反応的対策の二つに分けられます。能動的対策は主に故障アークの持続時間を制限することを目的とし、反応的対策は故障アークによって引き起こされる影響を制限することに焦点を当てています。内部アークを完全に防止することは不可能ですが、アークの持続時間によって引き起こされる有害な影響を制限することで、故障アークが人や設備に与える影響を最小限に抑えることができます。
内部故障アーク試験は必須試験項目には含まれていませんが、「該当する場合の必須型式試験項目」とみなされます。人的安全と設備の正常運転に対する直接的な脅威から、製造業者とユーザーから大きな注目を集めています。そのため、アーク燃焼試験項目は、プリファブ変電所の型式試験と品質抜き打ち検査で徐々に積極的に推進されています。
5) 知能化の大幅な発展
知能化はスマートグリッドの重要な特徴であり、プリファブ変電所の発展方向でもあります。高度な自動化を持つプリファブ変電所は業界で一般的に知能プリファブ変電所と呼ばれます。知能プリファブ変電所の動作特性と責任は、良好なインタラクティビティを必要とします。
情報の収集と分析を実現した後、知能プリファブ変電所は内部で情報を共有できるだけでなく、電力網内のより複雑で高度な自動化システムとも良好なインタラクションを持つことができます。知能プリファブ変電所のインタラクティビティは、一定程度で電力網の安全かつ安定した運転を確保します。
6) 「プリファブキャビン」の発展と主な特徴
プリファブ変電所が電力網の負荷中心に適用される場合、変圧器の容量は通常大きいです。補助的な高圧・低圧設備、二次自動化設備、SVG（静止無功発電装置）設備などが箱内に設置され、主変圧器は屋外に設置されます。機能ユニットのプリファブとモジュール組み立てによる変電所の建設という特徴があり、箱の構造形式、消防システム、人員の安全、設備監視に対して高い要求があります。業界ではこれを「プリファブキャビン」と呼びます。実際には、大規模でモジュラー組み合わせ、現場設置可能なプリファブ変電所です。
7) 「統合インバータ」の出現と応用シナリオ
太陽光発電システムやエネルギーストッレージシステムに適用されるプリファブ変電所では、従来の低圧スイッチギアが電気エネルギー変換のためにインバータに置き換えられ、インバータ、変圧器、高圧スイッチギアから構成されるプリファブ変電所が形成されます。直流から交流への変換を実現します。交流は変圧器で昇圧され、高圧スイッチギアを通じて40.5 kVのスイッチ変電所に送られ、その後35/110 kVまたは35/220 kVの電圧レベルの主変圧器を通じて電力網に送られます。または、電力網とバッテリー群との間でのエネルギーの交換または転送を実現します。これは別の形式のプリファブ変電所です。
4. 結論
電力網において、プリファブ変電所は高度な統合性、柔軟な方式、多様な手法、短い建設期間、小さな敷地面積、低い製造コストなどの特徴を持っています。様々な産業でますます広く使用され、当初の10 kV電圧レベルでのエンドユーザーへの応用から35 kV（11
