고압/저압 프리패브 변전소의 분류 및 발전 동향 분석
1. 서론
고압/저압 조립식 변전소, 일반적으로 "조립식 변전소" 또는 "박스형 변전소"라고 알려져 있으며, 중국에서는 과거에 "결합 변전소", "결합 변압기", "공장 조립형 소형 변전소", "박스형 고압 수신 장치", "조립식 소형 변전소" 등의 다양한 이름으로 불렸습니다. 1995년 11월 국제 전기 기술 위원회(IEC)는 IEC 1330 표준에서 공식적으로 "고압/저압 조립식 변전소"라는 명칭을 사용하기 시작했습니다. 현재 표준 GB/T 17467-2020 고압/저압 조립식 변전소에서도 "고압/저압 조립식 변전소"라는 용어를 채택하고 있으며, 이하에서는 간단히 "조립식 변전소"로 언급하겠습니다.
조립식 변전소의 주요 특징은 다음과 같습니다:
제품의 설계와 제조는 공장 내에서 완료됩니다.
GB/T 17467 표준에 따라 형식 시험을 통해 검증됩니다.
공장 시험을 통해 검증됩니다.
그 기본 구성은 변압기실, 고압 스위치실, 저압 스위치실 등 세 가지 기능 단위로 구성됩니다. 내부에 조립된 주요 구성 요소(표준에서 변압기, 고압 스위치기기, 저압 스위치기기 등을 주요 구성 요소로 정의함)는 형식 시험과 공장 시험을 통해 적합한 것으로 검증되었습니다. 이러한 구성 요소들은 필요한 대로 서로 연결되어 공통 하우징이나 박스 안에 조립되어 조립식 변전소 제품을 형성합니다. 전형적인 구조는 GB/T 17467의 요구 사항에 따라 형식 시험을 통해 검증되며, 그 후 공장 시험을 통과한 후 사용자에게 설치 및 사용을 위해 제공됩니다. 이것이 전형적인 조립식 변전소의 기본 구조 형태입니다.
실제 응용 분야에서는 자동화 장치, 통신 장치, 비디오 감시 시스템, 제어 전원 시스템, 소방 시스템 등이 조립식 변전소에 통합되어, 다양한 작업 조건에서 조립식 변전소의 기능 요구 사항을 충족하는 중요한 구성 요소나 보완 요소가 됩니다.
조립식 변전소의 주요 장점은 높은 통합도, 작은 면적, 짧은 건설 기간, 유연한 부지 선택, 강력한 환경 적응성, 편리한 설치 및 사용, 안전하고 신뢰할 수 있는 운전, 낮은 투자 비용, 빠른 효과 등이 있습니다.
최근 조립식 변전소는 풍력 발전, 태양광 발전 등 신에너지 발전 및 에너지 저장 분야에서 빠른 발전과 광범위한 응용을 보여주며, 전기 에너지의 송전 또는 교환을 가능하게 하고 있습니다.
조립식 변전소의 응용 시나리오는 다음과 같습니다: 배전망에서는 조립식 변전소가 전압을 낮추어 최종 사용자의 요구 사항을 충족시키며, 발전 시스템에서는 전압을 상승시키고 그리드에 접속하여 발전 측에서 그리드로 전기 에너지를 송전합니다.
조립식 변전소에 장착된 변압기의 정격 용량과 전압 수준은 변전소의 규모와 구성의 중요한 지표입니다. 일반적으로 10,000 kV·A 정도의 변압기 정격 용량과 40.5 kV 이하의 전압 수준을 가진 조립식 변전소의 경우, 변압기와 스위치기기 또는 기타 장비가 전체로 조립되거나, 개별 모듈로 현장으로 운송되어 전체로 조립됩니다.
변압기 용량이 31,500 kV·A를 초과하는 경우, 지원 스위치기기 및 기타 보조 장비는 조립식 변전소의 박스 내에 설치되고, 주 변압기는 실외에 설치됩니다. 두 개 이상의 주 변압기가 있으며, 결국에는 하나의 완전한 변전소를 형성하여 전기 에너지의 송전 또는 교환을 가능하게 합니다.본 문서는 산업 발전 방향이나 제품의 주요 특징 측면에서 조립식 변전소를 분류하고, 변전소 분야에서의 발전 동향을 분석합니다.
2. 조립식 변전소의 일반적인 분류 방법
실제 응용 분야에서 조립식 변전소는 변압기의 정격 용량과 구조적 특성, 정격 전압 수준, 주요 구성 요소, 박스의 재질 및 구조 형태, 응용 시나리오, 주요 목적 등에서 크게 다릅니다. 또한 응용 분야의 차이로 인해 업계 표준과 제품 검증 방법도 다릅니다. 다음은 다양한 차원이나 주요 특징을 기반으로 조립식 변전소를 분류합니다.
1) 고압 측 정격 전압 수준에 따른 분류
조립식 변전소는 고압 측 정격 전압 수준에 따라 고압 조립식 변전소, 중압 조립식 변전소, 저압 조립식 변전소로 분류됩니다. 고압 조립식 변전소의 고압 측 정격 전압은 110 kV 이상, 중압 조립식 변전소는 3.6 kV부터 40.5 kV 사이, 저압 조립식 변전소는 1.14 kV 이하입니다.
고압 조립식 변전소는 일반적으로 전기 부하 중심에 가까운 곳에 설치됩니다. 종종 모듈러 제조와 현장 건설을 결합한 변전소 건설 방식을 채택하며, 변압기의 고압 측 전압 수준이 높고, 단일 장치 용량이 크며, 일차 및 이차 지원 장비의 수가 상대적으로 많습니다.
중압 조립식 변전소는 일반적으로 발전 시스템, 배전망의 끝단, 또는 임시 전력 공급 시나리오에서 사용됩니다. 그 구성 방안은 비교적 단순하며, 변압기 용량은 상대적으로 작고, 제조 공정은 비교적 간단합니다.저압 조립식 변전소는 일반적으로 특정 기능 요구 사항을 충족하기 위해 2차 제어 장비, 보조 장비, 또는 저압 스위치기기를 내부에 설치합니다.
2) 사용 또는 설치 환경에 따른 분류
사용 또는 설치 환경에 따라 실내 조립식 변전소와 실외 조립식 변전소로 분류됩니다. 일반적으로 말하는 조립식 변전소는 대부분 실외 타입을 의미합니다. 또한 일부 공장, 건물, 또는 실내 전기 장비 근처에서 상대적으로 작은 전력 부하를 가진 경우, 지원 조립식 변전소는 실내 조립식 변전소입니다. 그 사용 환경이나 보호 수준은 실외 조립식 변전소보다 상대적으로 좋으며, 제품 자체는 환경 보호와 안전에 대한 요구 사항이 약간 낮습니다.
3) 제품 설치 방법에 따른 분류
제품 설치 방법에 따라 고정식 조립식 변전소와 이동식 조립식 변전소로 분류됩니다. 일반적으로 조립식 변전소는 기초 위에 고정적으로 설치되며, 사용 중에 설치 위치는 변경되지 않습니다.
일부 응용 시나리오, 예를 들어 광산, 석유 터미널, 건설 현장, 임시 유지보수 전력 공급 시나리오에서는 공사 진행에 따라 조립식 변전소의 위치를 변경해야 할 때가 많습니다. 이동식 조립식 변전소는 바퀴형 조립식 변전소와 스키드형 조립식 변전소 두 가지 유형이 있습니다. 조립식 변전소의 전력 공급 위치를 이동해야 할 때 트레일러나 반트레일러를 사용하여 견인 및 운송할 수 있습니다.
4) 박스 제조에 사용되는 재료에 따른 분류
조립식 변전소의 박스 제조에 사용되는 다양한 재료에 따라 철판형, 비금속형, 스테인리스 철판형, 알루미늄 합금형, 컬러 스틸 컴포지트 패널형, 진방 패널형, 마그네슘-알루미늄-아연 도금 패널형, 컨테이너형 등으로 분류할 수 있습니다. 주요 특징은 조립식 변전소의 박스 재료나 구조 형태가 다양하여 사용자나 사용 요구 사항에 맞게 다양한 요구를 충족할 수 있다는 것입니다.
5) 박스 외관 또는 환경과의 일치도에 따른 분류
조립식 변전소가 주변 사용 환경에 대한 특수한 요구 사항에 따라 일반형, 경관형(예: 박스 표면이 중국 고대 건축, 유럽 건축, 예술적 조형, 또는 경관화를 모방한 스타일을 가짐) 등으로 더 나누어집니다. 예를 들어, 공원에서 사용되는 조립식 변전소는 공원 환경과 어울리는 누각이나 건물의 형태를 가지고 있으며, 표면은 경관화 또는 다양한 색상으로 장식됩니다.
6) 다른 설치 방법에 따른 분류
조립식 변전소와 기초 간의 조합 정도에 따라 지상형 조립식 변전소, 반지하형 조립식 변전소, 완전 지하형 조립식 변전소로 분류할 수 있습니다.지상형 조립식 변전소는 전체 조립식 변전소를 기초 위에 설치합니다. 반지하형 조립식 변전소의 경우, 세 가지 기본 기능 공간 중 고압 스위치실과 저압 스위치실은 기초 위에 위치하고, 변압기실은 기초 아래에 위치하여 기초에 침몰됩니다.
제품의 전체 부피는 상대적으로 작습니다. 완전 지하형 조립식 변전소는 전체 제품이 기초에 침몰되며, 기초 위에는 점검용 맨홀 또는 환기구만 노출됩니다. 이 유형의 제품은 특히 도심이나 인구 밀집 핵심 지역에 적합하며, 제품이 사용 환경에 미치는 시각적 영향을 줄이고 제품 운영의 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다.
7) 기능 공간의 배열 방법에 따른 분류
조립식 변전소의 세 가지 기본 기능 공간(고압실, 저압실, 변압기실)의 배열 또는 조합에 따라 "눈"-형 조립식 변전소, "침"-형 조립식 변전소, "H"-형 조립식 변전소, "덤벨"-형 조립식 변전소, "밭"-형 조립식 변전소 등으로 더 나눌 수 있습니다.
"눈"-형 조립식 변전소에서는 변압기실이 가운데에 배치되고, 고압실과 저압실이 양쪽에 배치됩니다. 전체 레이아웃은 중국 문자 "目"와 유사합니다. "침"-형 조립식 변전소에서는 세 가지 기능 공간이 함께 배치되어, 중국 문자 "针"와 유사한 형태를 갖춥니다.
"H"-형 조립식 변전소에서는 고압실과 저압실이 별도의 박스로 만들어지고, 유체 잠김 변압기의 활성 부분이 완전히 밀폐되어 두 박스 사이에 배치됩니다. 또한 변압기의 양쪽에 메쉬 차폐를 채택하여 간단한 보호와 격리를 수행하여 변압기의 운전 중 열 방출 조건을 개선합니다. "덤벨"-형 조립식 변전소에서는 실제로 고압 스위치 캐비닛 한 세트, 변압기 두 세트, 그리고 저압 스위치 캐비닛이 있습니다.
고압실은 박스의 중앙에 위치하고, 변압기실과 저압실은 변압기실의 양쪽에 각각 위치합니다. 각 기능 공간의 전체 레이아웃은 "덤벨" 모양입니다. "밭"-형 조립식 변전소에서는 저압실이 두 개의 독립적인 구역(저압 스위치실과 자동화실)으로 나뉘며, 고압실과 변압기실과 함께 전체 레이아웃이 중국 문자 "田"와 유사한 형태를 갖춥니다.
8) 관습적인 명칭에 따른 분류
제품의 주요 특징과 관습적인 명칭에 따라 조립식 변전소는 유럽식 변전소, 미국식 변전소, 중국식 변전소로 분류됩니다.
조립식 변전소의 주요 단위(고압 스위치기기, 저압 스위치기기, 변압기)는 모두 형식 시험을 거친 표준 제품입니다. 초기에는 주로 독일을 포함한 유럽 국가들로부터 도입되었으며, 일반적으로 "유럽식 변전소"로 알려져 있습니다. 주요 특징은 주요 구성 요소의 상호 연결과 조합, 유연하고 변화 가능한 설계 방안, 변압기 용량 확장의 상대적으로 편리함 등입니다. 현재는 배전망과 발전 시스템에서 널리 사용되고 있습니다.
JB/T 10217 표준에 따르면, 미국식 변전소는 고압 스위치가 변압기 오일 탱크에 설치되고 변압기 오일이 절연 및 아크 소멸 매체로 사용되며, 저압 스위치는 저압 박스에 설치된 조립식 변전소입니다. 예를 들어, 미국 Cooper 회사의 10 kV 경제형 조립식 변전소는 일반적으로 "미국식 변전소"로 알려져 있습니다.
미국식 변전소의 주요 특징은 고압 부하 스위치, 변압기 코어, 코일 등이 같은 오일 탱크에 잠겨 있고, 변압기 오일이 공동으로 절연, 아크 소멸, 냉각 매체로 사용된다는 것입니다. 이는 이중 융단 보호를 채택하고, 융단이 전류와 온도의 이중 감응 특성을 가지므로, 변압기 보호의 민감도와 신뢰성을 크게 향상시킵니다. 미국식 변전소의 주요 장점은 작은 크기, 컴팩트한 구조, 간단함, 경제성입니다.
그러나 단점도 명백합니다. 예를 들어, 변압기 오일의 절연 성능이 빠르게 저하되고, 구성 방안이 단순하며, 유연성이 낮습니다. 고압 스위치의 개폐로 발생하는 아크는 변압기 오일의 품질을 악화시킵니다. 현재 10 kV 미국식 변전소는 배전망에서 거의 사용되지 않고 있으며, 제거되거나 제한되는 제품으로 분류되고 있습니다.
수정 및 업그레이드 후 10 kV 미국식 변전소는 전압 수준을 35 kV로 높이고 신에너지 발전 시스템에 적용되었습니다. 그 컴팩트한 구조, 작은 면적, 낮은 제조 비용으로 인해 점점 더 많이 보급되고 사용되고 있습니다.
최근 신에너지 시스템, 예를 들어 풍력 및 태양광 발전에서 사용되는 조립식 변전소는 주로 발전 측에서 낮은 전압 수준의 전기 에너지를 35 kV 고압 변전소로 송전하는 역할을 합니다. 변압기 용량은 점점 커지고 있으며, "유럽식 변전소" 형태로 설계하면 변압기가 변압기실 내에 폐쇄적으로 설치되어 외부로 열을 방출하기 어렵습니다.
팬이나 열교환기와 같은 추가 장비가 필요합니다. 따라서 상대적으로 컴팩트한 구조와 박스 외부에 설치된 유체 잠김 변압기를 가진 조립식 변전소가 등장했습니다. 그 주요 특징은: 변압기가 실외에 설치되어 변압기의 안전 보호와 열 방출 문제를 해결하고, 제조 비용이 크게 줄어듭니다. 외관은 "미국식 변전소"와 유사하지만, 본질적으로 여전히 "유럽식 변전소"에 속합니다. 업계에서 처음 등장했을 때 "컴팩트 조립식 변전소"로 명명되었고, 중국에서 처음 성공적으로 개발되어 실제 공학 프로젝트에 적용되면서 업계에서 "중국식 변전소"로 널리 알려졌습니다. 그러나 그 제품 특징은 GB/T 40823 표준의 요구 사항에 더 부합합니다.
3. 조립식 변전소의 발전 동향
다음과 같은 다양한 측면에서 조립식 변전소의 발전 동향을 분석합니다.
1) 박스 제조 재료와 구조 형태의 다양화
가장 직관적이고 눈에 띄는 변화는 조립식 변전소의 박스 구조 형태가 다양화되는 추세를 보이고 있다는 것입니다. 박스의 모양, 색상, 재질에서 이를 확인할 수 있습니다. 박스는 주변 환경과 조화를 이루어야 합니다. 예를 들어, 유럽식 변전소는 일반적으로 지하 1 m에 설치되며, 지상 부분은 1.5 m를 넘지 않아, 먼 거리에서의 시야를 방해하지 않으며, 어린이가 놀다가 우발적으로 부상을 입을 위험이 없습니다. 사용되는 재질은 비금속이며, 환경 친화적이며 주변 환경과 쉽게 조화를 이룹니다.
외부 케이스의 일반적인 재질로는 일반 철판, 스테인리스 철판, 알루미늄 합금 판, 컬러 스틸 컴포지트 판 등이 있습니다. 몇 년 전에는 유리 섬유 강화 시멘트 판, 유리 섬유 강화 플라스틱 판, 비금속 재질도 사용되기 시작했습니다. 또한, 같은 박스에 여러 재질이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 일반 박스의 외부는 목재판과 유약 벽돌 장식판으로 장식될 수 있으며, 이중 구조의 중간층에는 발포 폴리스티렌(EPS), 유리 섬유, 석면, 알루미나 실리케이트 울과 같은 단열 재질이 사용됩니다.
부식 저항, 화재 저항, 고장 아크 저항 측면에서 비금속 재질 케이스는 금속 재질 케이스보다 크게 우수합니다. 일부 조립식 변전소는 진방 판을 케이스 재질로 사용하는데, 이는 환경 친화적, 가볍고 강도가 높으며, 소음 차단, 단열, 방수, 방화, 부식 저항 등의 특징을 가지고 있습니다.
2) SF6 가스 절연 스위치기기의 강력한 보급 및 응용
전압 수준이 40.5 kV 이하인 조립식 변전소의 고압 측은 일반적으로 공기 또는 SF6 가스로 절연된 회로 차단기 또는 부하 스위치를 사용하며, 일부 제품은 변압기 오일을 절연 매체로 사용하는 부하 스위치를 사용합니다.
12 kV 조립식 변전소에서는 변압기 용량이 일반적으로 1,250 kV·A 이하이므로, 복합 전기 기기(부하 스위치 + 융단) 또는 부하 스위치가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 회로 차단기를 사용하여 변압기를 보호할 때, 고장 회로를 차단하는 시간이 약간 길어지므로, 주요 장비(예: 변압기)의 보호에 유리하지 않습니다. 그러나 복합 전기 기기의 융단은 20 ms 내에 고장 전류를 차단할 수 있습니다.
12 kV 전압 수준의 부하 스위치 유닛에는 가스 생성 부하 스위치 캐비닛, 진공 회로 차단기 스위치 캐비닛, 진공 부하 스위치 캐비닛, SF6 가스 절연 스위치기기가 포함됩니다. 현재 조립식 변전소에서 가장 널리 적용되는 것은 SF6 가스 절연 스위치기기이며, 고도, 신뢰성, 안전성, 크기, 특수 응용 환경 등에서 더 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다.
3) 변압기 성능 및 환기 및 열 방출 개선
12 kV 조립식 변전소에서 일반적으로 사용되는 변압기는 유체 잠김 변압기와 건식 변압기가 있으며, 그들의 절연 성능과 무부하 및 부하 손실 값이 더욱 최적화되었습니다. 고층 건물에서는 변압기에서 스위치기기까지, 불연성 재질을 포함하지 않고 변압기 오일로 오염되지 않는 건식 변압기가 필요합니다.
변압기의 환기 및 열 방출 원칙은: 주로 자연 환기, 강제 공기 냉각을 보충하는 것입니다. 강제 공기 냉각의 일반적인 방법은 변압기실의 상단이나 박스 벽 패널에 팬을 설치하여 박스 외부로 공기를 불어내어 실내의 뜨거운 공기 순환을 촉진하는 것입니다. 때때로 변압기 아래에도 팬을 설치하여 차가운 공기를 내부로 공급하여, 상대적으로 좋은 열 방출 효과를 얻을 수 있습니다.
4) 조립식 변전소의 내부 고장 아크
조립식 변전소에서는 내부 고장 아크가 발생할 수 있으며, 취할 수 있는 조치는 능동적 조치와 수동적 조치로 나뉩니다. 능동적 조치는 주로 고장 아크의 지속 시간을 제한하는 것을 목표로 하며, 수동적 조치는 고장 아크로 인한 영향을 제한하는 데 집중합니다. 고장 아크의 발생을 완전히 방지할 수는 없지만, 아크 지속 시간에 의한 해로운 영향을 제한하여 고장 아크가 사람이나 장비에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.
내부 고장 아크 시험은 필수 시험 항목에 포함되어 있지 않지만, 해당되는 경우 "필수적인 형식 시험 항목"으로 간주됩니다. 개인의 안전과 장비의 정상적인 운전에 직접적인 위협을 미치기 때문에 제조업체와 사용자로부터 큰 관심을 받고 있습니다. 따라서 아크 연소 시험 항목은 점점 강력하게 조립식 변전소의 형식 시험과 품질 점검에서 보급되고 있습니다.
5) 상당한 지능화 발전
지능화는 스마트 그리드의 핵심 특징이며, 조립식 변전소의 발전 방향이기도 합니다. 자동화 수준이 높은 조립식 변전소는 일반적으로 업계에서 지능형 조립식 변전소로 알려져 있습니다. 지능형 조립식 변전소의 작업 특성과 책임은 그들이 좋은 상호 작용을 가져야 함을 요구합니다.
정보 수집 및 분석을 실현한 후, 지능형 조립식 변전소는 내부에서 정보를 공유할 뿐만 아니라, 전력망 내에서 더 복잡하고 고급 자동화 시스템과도 좋은 상호 작용을 할 수 있습니다. 지능형 조립식 변전소의 상호 작용은 어느 정도로 전력망의 안전하고 안정적인 운영을 보장합니다.
6) "조립식 캐빈"의 발전 및 주요 특징
조립식 변전소가 전력망의 부하 중심에 적용될 때, 변압기 용량은 일반적으로 큽니다. 지원 고압 및 저압 장비, 2차 자동화 장비, SVG(정적 무효발생기) 장비 등이 모두 박스에 설치되고, 주 변압기는 실외에 설치됩니다. 기능 단위를 조립하고 모듈 조립을 통해 변전소를 건설하는 특징이 있으며, 박스의 구조 형태, 소방 시스템, 인원 안전, 장
