미니어처화된 지능형 조립식 변전소의 개발 및 응용
스마트 도시 건설이 가속화되면서 도시 배전망은 지속적으로 업그레이드되고 개조되고 있으며, 공중선 지중화 프로젝트의 건설도 안정적으로 진행되고 있습니다. 많은 수의 10kV 공중선이 지하 케이블로 교체되고 있습니다. 일부 도시 도로의 제한된 공간과 장비 설치 위치 부족 등의 현 상황을 고려할 때, 기존의 프리패브 변전소에 대한 부피, 구조, 성능에 대한 요구 사항이 더욱 높아지고 있습니다.
기존의 프리패브 변전소의 적용을 기반으로, 이 글에서는 미니어처화, 지능화, 경관화된 프리패브 변전소를 연구하고 분석하여 설계하였습니다. 이 프리패브 변전소는 컴팩트한 구조, 안정적인 성능, 강력한 실용성, 높은 전력 공급 신뢰성을 특징으로 합니다. 이를 통해 도심 중심부의 공간을 집약적으로 활용하고 주변 환경과 조화를 이루며, 도시 배전망의 업그레이드 및 개조 프로젝트에 널리 적용될 수 있습니다.
1 미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 외관 디자인
지리적 위치, 공간 활용률, 환경 제한 등을 고려하여, 미니어처화 지능형 프리패브 변전소는 긴 직사각형 형태를 채택하였습니다. 그 부피는 원래의 프리패브 변전소의 2/3입니다. 케이싱(상단, 문, 하단, 내부 금속 구성요소 포함)과 부속품은 모두 304 스테인리스강으로 제작되었으며, 내부는 SGCC 핫딥갈바나이즈 얇은 철판을 사용하고, 주변 벽에는 단열 및 난연 재료가 추가되었습니다. 외부 표면은 어두운 초록색으로 칠해져 있어 미적으로 아름답고 환경 친화적입니다.
케이싱은 충분한 기계적 강도와 내진 성능을 갖추고 있어 운송, 설치, 크레인 작업 중 손상이나 변형이 쉽지 않습니다. 케이싱 상단은 5°의 경사를 가진 "vron" 구조로, 이중 구조로 설계되어 태양 광선 차단 효과가 있습니다. 또한 역류 방지 처마와 통풍 덕트가 장착되어 있으며, 케이싱 상단은 분리 가능합니다. 케이싱의 문은 이중 방범 볼트 구조로 외부로 열립니다. 케이싱 하단은 핫딥갈바나이즈 처리되어 케이싱 본체와 무鏠 연결되어 있으며, 하단에는 맨홀이 있고, 맨홀 주변에는 밀봉 스트립이 설치되어 있습니다. 양측에는 불연성 케이블 밀봉 장치가 제공되어 우수한 밀봉 및 완벽한 방습 조치를 취하고 있습니다.
미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 모든 용접 부분과 외부 구성 요소의 접합부는 잘 밀봉되어 있으며, 방수, 방진, 내식, 자외선 차단 등의 특성을 가지고 있습니다. 이는 아름답고 환경 친화적이며, 유지보수가 필요 없이 정상적인 수명은 최대 40년까지 가능합니다.
2 미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 구조 및 배치 기능
2.1 구조 배치 설계
미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 구조는 간단합니다. 케이싱 내부는 변압기실, 고압실, 저압실, 자동화실, 통신실, 전력 소모 수집실 등 6개의 주요 기능실로 나뉩니다. 이러한 기능실들은 서로 완전히 분리되어 "눈" 모양으로 배열됩니다.
이 변전소는 네 면 모두 문을 가질 수 있으며, 세 면에서 문을 여는 유지 보수 요구 사항을 충족합니다. 고압실과 저압실의 보호문은 기계적 연동 장치를 장착하여 저압실 문이 열린 상태에서만 고압실 문을 열 수 있도록 합니다. 각 기능실은 독립적인 자연 환기 방법을 채택하여 모든 전기 장비의 온도 및 습도 요구 사항을 충족합니다. 필요할 경우, 난방기, 제습기 등의 장비를 추가하여 야외에서도 안전하고 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 합니다.
이 변전소의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다: 유침 변압기, 10kV 링 메인 유닛 저압 플라스틱 셀 커버 공기 스위치(SF6 가스로 밀봉, 저압 측), 표준화된 비상 전원 공급 빠른 인터페이스(저압 버스바 측), 그리고 서브스테이션 단말장치, 일반 미터, 집중기, 지능형 구성 단말, 광섬유 통신 단말 등입니다.
2.2 기능실 설계
(1) 변압기실. 변압기실은 변압기, 라디에이터, 버스바 배선, 안전 보호망 등으로 구성됩니다. 변압기는 1등급 에너지 효율 완전 밀폐 실리콘 강판 또는 비정질 합금 유침 분배 변압기를 사용합니다. 고압 측은 프리패브 플러그 가능 케이블 헤드를 장착하고, 저압 부싱은 절연 보호 소켓을 장착합니다. 용량은 500 kV·A 또는 630 kV·A를 선택할 수 있습니다.
(2) 고압실. 고압실은 10kV 링 메인 유닛으로 구성되며, 이는 입선 및 출선 유닛 캐비닛으로 나뉘며, 두 유닛은 독립적으로 폐쇄되어 있습니다. 링 메인 유닛은 완전 절연 및 공통 상자 구조이며, SF6 가스를 사용하여 아크 소멸 및 절연을 수행합니다. 가스 박스는 항상 열린 알람 보조 노드를 가진 가스 압력 표시 장치가 장착되어 있습니다. 가스 박스와 캐비닛 본체는 각각 304 스테인리스강과 고품질 알루미늄-클래드 아연 판재로 제작되어 있으며, 캐비닛 본체 표면은 정전기 에폭시 스프레이 처리가 되어 있습니다.
유닛 캐비닛은 상단부터 하단까지 2차실, 부하 스위치실, 케이블실로 나뉩니다. 2차실은 유닛 캐비닛의 상부에 위치하며, 패널에는 케이블 스위치, 케이블 지시등, 원격/현지 전환 스위치, 고장 및 대전 지시등 등이 장착되어 있습니다. 유닛 캐비닛의 부하 스위치 유닛은 일반적으로 부하 스위치와 제한용 융단의 조합 전기 기구를 선택합니다. 여기서 부하 스위치는 변압기의 저압 측에서 고장이 발생할 때 지정된 부하 전류와 전환 전류를 차단할 수 있으며, 제한용 융단은 다양한 위상간, 접지 단락 전류 및 과부하 전류를 차단할 수 있습니다.
부하 스위치는 전기 및 수동 조작을 통해 개폐 및 접지를 수행할 수 있으며, 조작이 간편합니다. 부하 스위치 유닛과 접지 스위치 유닛은 신뢰성 있는 "5방지" 연동 기능을 갖추고 있습니다. 유닛 캐비닛의 케이블실은 주로 지하에서 고압 케이블 터널을 통해 입선 및 출선을 사용합니다. 입선 및 출선 케이블 단자의 위치는 설치가 편리하며, 오픈형 고압 전류 변환기가 장착되어 있습니다.
(3) 저압실. 저압실은 주로 저압 스위치기어, 비상 전원 공급실, 맨홀 등으로 구성됩니다. 저압 캐비닛 본체의 색상은 고압 캐비닛과 동일하게 RAL7035를 사용합니다. 저압 캐비닛 패널에는 전압 및 전류를 표시하고 RS-485 통신을 지원하는 플러그 가능 디지털 다기능 미터가 장착되어 있습니다. 저압 출선은 4회로 제로-플라잉-아크 플라스틱 셀 커버 공기 스위치를 사용합니다. 저압 측에는 중성선과 접지선이 있으며, 두 선은 저압 캐비닛 하단에 배치됩니다.
변압기의 저압 버스바는 비상 전원 공급실을 통해 저압 스위치기어로 들어가며, 분리 가능한 설계로 되어 있습니다. 배선 변환 후, 저압 캐비닛 하단의 출선 케이블로 저압 피딩이 됩니다. 출력 회로 수는 요구 사항에 따라 유연하게 설계할 수 있습니다. 비상 전원 공급실에는 운영 지침이 함께 제공되며, 맨홀은 수동 유지 보수에 편리합니다.
(4) 자동화실. 프리패브 변전소는 독립적인 자동화실을 갖추고 있으며, 여기에는 분배 자동화 단말(DTU)이 설치되어 10kV 입선 및 출선 회로의 작동 상태를 모니터링하고 제어하여 원격 측정, 원격 신호, 원격 제어, 원격 조정 등의 기능을 수행합니다. DTU는 우선적으로 시내 전력을 사용하여 공급받습니다. 시내 전력 공급 조건이 없는 경우에는 전압 변환기를 사용하여 공급받고, 보조 배터리를 사용하여 백업 전원으로 사용합니다.
DTU는 내장 전력 관리 모듈을 갖추고 있으며, AC220V 및 DC24V 출력을 충족시키며, 링 메인 유닛의 전기 작동 기구에 AC220V 교류 전원을 제공합니다. DTU는 여러 통신 방법과 통신 프로토콜을 지원하며, 2개의 RS-485 직렬 인터페이스와 2개의 네트워크 인터페이스(RJ45)를 갖추고 있으며, IEC101, IEC104, CDT 등의 프로토콜과 호환됩니다. DTU는 벽걸이 캐비닛에 전체적으로 설치되며, 항공 플러그를 사용하여 현장에서 분해, 설치, 유지 보수가 편리하며, 한 세트의 단말과 백업 전원 소스의 공간 배치 요구 사항을 충족합니다.
(5) 통신실. 프리패브 변전소는 독립적인 통신실을 갖추고 있으며, 내부에는 광 분배 프레임, 산업용 이더넷 스위치, 광 네트워크 단위가 구성되어 있으며, 통신 광케이블, 테일, 전력 케이블의 배선 슬롯 및 입출구를 예비로 준비하고 있습니다. 이 방은 프리패브 변전소 내부의 모니터링 데이터를 지능형 모니터링 플랫폼으로 전송하여 실시간으로 작동 상태와 데이터를 모니터링할 수 있습니다.
(6) 전력 소모 수집실. 전력 소모 수집실은 통신실 위에 위치하며, 변전기 지역의 지능형 분배 변압기 단말, 집중기, 일반 미터의 설치 위치와 단말 블록 및 결합 배선 테스트 박스의 설치 공간을 갖추고 있으며, 샘플링 신호 및 통신 케이블의 배선 슬롯 및 입출구를 예비로 준비하고 있습니다.
이 방은 프리패브 변전소의 다양한 작동 매개변수를 측정하며, 전력 데이터의 통신 허브 역할을 합니다. 한편, 디지털 전력 미터에서 직렬 통신 형식으로 출력되는 전력 데이터를 수집하고 저장하며, 다른 한편으로는 상위 채널을 통해 전력 계산 자동화 시스템의 주역 단계 컴퓨터로 수집된 전력 데이터를 전송합니다.
2.3 접지 장치 설계
미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 접지 전극은 도금 철관을 사용합니다. 채널 강철 기반의 접지 모자는 2개의 구리 접지 단자를 통해 접지 전극과 연결되며, 전기 접촉 단면적은 160 mm²이며 명확한 표시가 있습니다. 변압기의 저압 중성선은 직접 접지체에 연결됩니다. 변압기실, 고압실, 저압실은 각각 접지 단자를 사용하여 서로 연결됩니다.
전기 장비의 2차 안전 접지선에는 투명한 보호 튜브가 추가되어 있으며, 구리선의 단면적은 4 mm²입니다. 모든 캐비닛 문, 금속 부품, 금속 프레임은 지속적으로 안정적으로 접지되어 있습니다. 기초의 외부 접지망은 기초 내부로부터 프리패브 변전소의 바닥으로 도입되어 역내 접지 단자와 연결되며, 직접 매설 방식을 사용합니다. 프리패브 변전소의 접지 저항은 1 Ω를 초과하지 않습니다.
3 미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 기술 요구 사항
3.1 전기 원리
미니어처화 지능형 프리패브 변전소는 10/0.4kV 3상 교류 시스템의 배전망에 적합합니다. 특정 배선 방안에 따라 고압 스위치기어, 분배 변압기, 저압 분배 장치를 통합합니다. 고압 측은 단일 버스바 배선을 채택하며, 두 개의 입선과 하나의 출선이 있습니다. 변압기 측에는 융단 보호가 설정됩니다. 분배 변압기를 통해 변환된 후, 저압 버스바는 필요에 따라 4개의 저압 피딩 회로로 설계될 수 있으며, 저압 주 스위치는 설정되지 않습니다.
3.2 적용 장소
이 미니어처화 지능형 프리패브 변전소는 도시 배전망 개조, 주거 지역, 공장 및 기업, 상업 사무실 건물, 상업 지구, 공공 녹지, 문화 보호 구역, 공원 등 야외 장소에 널리 적용됩니다.
3.3 사용 환경 조건
고도: 1,000m를 초과하지 않음.
주변 온도: 최저 -25°C, 최고 45°C; 연평균 최고 온도는 20°C를 초과하지 않으며, 월평균 최고 온도는 35°C를 초과하지 않음.
상대 습도: 20°C에서 월평균 최고 90%, 일평균 최고 95%를 초과하지 않음.
내진성: 지표면 수평 가속도는 0.2g(g는 중력 가속도를 나타냄)을 초과하지 않으며, 지표면 수직 가속도는 0.1g입니다.
태양 광 강도: 풍속 0.5m·s⁻¹일 때 태양 광 강도는 0.1W·cm⁻²를 초과하지 않음.
최대 얼음 피복 두께: 10mm.
오염 수준: 3등급을 초과하지 않음.
지반 경사: 3°를 초과하지 않음.
설치 장소: 야외, 폭발, 화재, 화학 부식, 심각한 진동이 없는 장소.
위의 정상적인 사용 환경 조건에 부합하지 않는 경우, 사용자와 제조사 사이에서 협의하여 해결해야 합니다.
4 미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 프로토타입 검수
미니어처화 지능형 프리패브 변전소의 프로토타입은 장쑤 Qihou 지능 전기 장비 유한 회사에서 제작되었습니다. 기계 산업 고압 송전 및 배전 장비 품질 검사 센터는 관련 국가 표준 및 산업 표준에 따라 주요 구성 요소에 대한 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 합격되었습니다. 중국 국영 전력 상하이 전력 회사는 이 프로토타입의 크기, 외관, 성능에 대한 종합적인 검수를 수행하였으며, 검수 결과는 합격되었습니다.
5 결론
이 글에서 개발된 미니어처화 지능형 프리패브 변전소는 국내외 기존의 프리패브 변전소의 장점을 통합하였습니다. 간단한 구조, 작은 부지, 안전성 및 신뢰성, 아름다움 및 환경 친화성, 검사 및 유지 보수 면제, 낮은 유지 보수 요구 사항 등의 장점을 가지고 있습니다. 도시 배전망의 건설 및 개조에 중요한 홍보 및 적용 가치가 있습니다.
