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変電所は、発電、送電、配電システムの一部です。変電所は、電圧を高から低に、またはその逆に変換したり、その他いくつかの重要な機能を実行します。発電所と消費者の間では、電力はさまざまな電圧レベルの複数の変電所を通過する場合があります。変電所には、高送電電圧と低配電電圧の間、または2つの異なる送電電圧の相互接続で電圧レベルを変更する変圧器が含まれる場合があります。これらはインフラストラクチャの一般的なコンポーネントです。2022年現在、米国には約55,000の変電所があります。[ 2 ]変電所は、一部の国ではスイッチヤードとしても知られています。
変電所は、電力会社が所有・運営する場合もあれば、大規模な産業顧客や商業顧客が所有する場合もある。一般的に、変電所は無人で、遠隔監視・制御にはSCADAシステムを利用する。
変電所という言葉は、配電システムがグリッド化される以前の時代に由来します。中央発電所が大規模化するにつれて、小規模な発電所は配電所に転換され、自家発電機を使用する代わりに、より大規模な発電所から電力供給を受けるようになりました。最初の変電所は、発電機が設置されている1つの発電所にのみ接続されており、その発電所の付属施設でした。
変電所は請負業者によって設計および建設される場合もあれば、開発の全段階を電力会社が担当する場合もある。最も一般的なのは、電力会社がエンジニアリングと調達を行い、実際の建設は請負業者に委託するケースである。[ 3 ]変電所建設における主な設計上の制約には、土地の入手可能性とコスト、建設期間の制限、輸送の制限、変電所を迅速に稼働させる必要性などがある。[ 4 ]プレハブ工法は、建設コストを削減する一般的な方法である。[ 5 ]新しい変電所を接続するために、別の変電所で部分的な停電が必要になる場合があるが、電力会社はダウンタイムを最小限に抑えるように努めることが多い。[ 6 ]
変電所は通常、少なくとも以下の目的の1つを果たします。[ 7 ]
送電変電所は、 2 つ以上の送電線を接続します。[ 10 ]最も単純なケースは、すべての送電線が同じ電圧を持つ場合です。このような場合、変電所には、故障除去やメンテナンスのために送電線を接続または分離できる高電圧スイッチがあります。送電所には、2 つの送電電圧間で変換する変圧器、コンデンサ、リアクトル、静止型無効電力補償装置などの電圧制御/力率改善装置、および隣接する 2 つの電力システム間の電力の流れを制御する位相シフト変圧器などの機器がある場合があります。
送電変電所は、単純なものから複雑なものまで様々です。小規模な「開閉所」は、母線といくつかの遮断器だけの場合もあります。大規模な送電変電所は、複数の電圧レベル、多数の遮断器、そして大量の保護・制御機器（電圧変成器、電流変成器、リレー、SCADAシステムなど）を備え、広大な面積（数エーカー／ヘクタール）を占めることもあります。最新の変電所は、 IEC規格61850などの国際規格に基づいて構築される場合もあります。
配電変電所は、送電システムから地域の配電システムに電力を移送します。[ 10 ]電力消費者が大量の電力を使用しない限り、電力消費者を主要送電網に直接接続することは非経済的であるため、配電所は電圧を地域配電に適したレベルまで下げます。[ 12 ]
配電変電所への入力は、通常、少なくとも2本の送電線または分岐送電線です。入力電圧は、例えば115kV、あるいはその地域で一般的な電圧などです。出力は複数のフィーダーです。配電電圧は、供給エリアの規模や地域の電力会社の運用方法によって異なりますが、通常は2.4kVから33kVの中電圧です。フィーダーは道路上（場合によっては地下）に敷設され、顧客宅内またはその近傍にある配電変圧器に電力を供給します。
配電変電所は、電圧変換に加えて、送電システムまたは配電システムのいずれかの故障を隔離する役割も担っています。配電変電所は通常、電圧調整を行う場所ですが、数マイル/キロメートルにも及ぶ長距離配電回路では、送電線沿いに電圧調整装置が設置される場合もあります。
大都市の中心部には、高電圧開閉装置と低電圧側の開閉・バックアップシステムを備えた複雑な配電変電所が設置されている。より一般的な配電変電所は、開閉装置、変圧器1台、そして低電圧側には最小限の設備しか備えていない。
風力発電所や太陽光発電所などの分散型発電プロジェクトでは、集電変電所が必要となる場合があります。集電変電所は配電変電所と似ていますが、電力の流れは逆方向で、多数の風力タービンやインバーターから送電網へと流れます。通常、建設コストを抑えるため、集電システムは35kV前後で稼働しますが、12kVのシステムもあり、集電変電所は送電網への送電電圧まで電圧を昇圧します。集電変電所は、必要に応じて力率改善、計測、風力発電所の制御も行うことができます。特殊なケースでは、集電変電所内にHVDC変換所を併設することもあります。
集電変電所は、出力が同程度の複数の火力発電所や水力発電所が近接している場所にも存在する。ドイツのブラウヴァイラーやチェコ共和国のフラデツなどがその例で、これらの変電所では近隣の褐炭火力発電所から電力が集電されている。送電レベルまで電圧を昇圧するための変圧器が不要な場合、その変電所は開閉所となる。
コンバータ変電所は、HVDCコンバータプラント、牽引電流、または相互接続された非同期ネットワークに関連している場合があります。これらの変電所には、電流の周波数を変更したり、交流から直流、またはその逆の変換を行うためのパワーエレクトロニクス機器が備えられています。かつては、回転式コンバータが周波数を変更して2つのシステムを相互接続していましたが、現在ではそのような変電所は稀です。
開閉所とは、変圧器を持たず、単一の電圧レベルでのみ動作する変電所のことです。開閉所は、集電所や配電所として使用されることもあります。また、故障時に予備線路に電流を切り替えたり、回路を並列化したりするために使用されることもあります。インガ・シャバ高圧直流送電線の開閉所はその一例です。
開閉所はスイッチヤードとも呼ばれ、一般的に発電所のすぐ隣または近くに設置されています。この場合、発電所の発電機は、ヤードの一方の側にある発電機母線に電力を供給し、送電線はヤードの反対側にあるフィーダー母線から電力を受け取ります。
変電所が担う重要な機能の一つにスイッチングがあります。これは、送電線やその他の機器を系統に接続したり切断したりする作業です。スイッチングは計画的に行われる場合もあれば、計画外に行われる場合もあります。例えば、送電線や変圧器の増設や撤去など、保守作業や新規建設のために、送電線やその他の機器の電源を切る必要がある場合があります。電力供給の信頼性を維持するため、企業は保守作業中も系統を稼働させ続けることを目指しています。日常的な試験から全く新しい変電所の増設まで、実施するすべての作業は、系統全体を稼働させたまま行う必要があります。
計画外のスイッチングイベントは、送電線またはその他のコンポーネントの故障によって引き起こされます。たとえば、次のようになります。
変電所の機能は、システムの故障部分を最短時間で隔離することです。故障した機器の電源を切ることで、さらなる損傷を防ぎ、故障を隔離することで、電力網の残りの部分を安定して稼働させることができます。[ 13 ]
電化鉄道でも変電所が使用され、多くの場合、配電変電所が用いられます。場合によっては電流変換が行われ、直流（DC）列車の場合は整流器、公共送電網とは異なる周波数の交流（AC）列車の場合は回転変換器が一般的に使用されます。鉄道網が独自の送電網と発電機を運用して他の駅に電力を供給している場合は、送電変電所または集電変電所となることもあります。
移動式変電所は、変圧器、遮断器、バスバーを一体型のセミトレーラーに搭載した車輪付きの変電所で、トラックで牽引されることを想定しています。公共道路での走行に適したコンパクトな設計で、自然災害や戦争時の臨時のバックアップとして使用されます。移動式変電所は通常、恒久的な設備よりも定格容量がはるかに低く、道路走行の制限に対応するために複数のユニットで構築される場合もあります。[ 14 ]
変電所の設計は、電力の可用性と信頼性を確保しつつコストを最小限に抑え、将来的に変電所に変更を加えることを可能にすることを目的としている。[ 15 ]
変電所は、屋外、屋内、地下、またはこれらの場所の組み合わせで建設されることがあります。[ 16 ] [ 17 ]
変電所の立地選定には、多くの要素を考慮する必要があります。電気安全に必要なクリアランスを確保した上で機器を設置するための十分な土地面積、および変圧器などの大型機器の保守点検を行うためのアクセススペースが必要です。また、負荷増加や送電網の拡張計画に対応できる拡張スペースも確保しなければなりません。さらに、排水、騒音、道路交通への影響など、変電所が環境に及ぼす影響も考慮する必要があります。
変電所の敷地は、配電区域の中心付近に位置していなければならない。また、通行人の侵入を防ぐため、敷地は安全な場所に確保されなければならない。これは、感電やアーク放電による人身事故を防ぐとともに、破壊行為による電気系統の誤作動を防ぐためである。
変電所は、電力会社が所有・運営していない場合、通常は99年間の更新可能な長期リースなどの長期リースで占有され、電力会社に占有権の安定性をもたらします。[ 18 ]
変電所のレイアウトを計画する最初のステップは、必要な開閉および保護構成、ならびに受電線と送電線または送電線を簡略化した形で示す単線結線図を作成することです。多くの電力会社では、実際の変電所での機器の配置方法と同様に、主要な要素（線路、スイッチ、遮断器、変圧器）をページ上に配置し、単線結線図を作成するのが一般的です。[ 10 ]
一般的な設計では、受電線には断路器と遮断器が設置されています。場合によっては、両方が設置されておらず、スイッチまたは遮断器のいずれか一方のみで十分な場合もあります。断路器は負荷電流を遮断できないため、絶縁のために使用されます。遮断器は、故障電流を自動的に遮断する保護装置として使用され、負荷のオン/オフを切り替えたり、電力が「逆」方向に流れている場合に送電線を遮断したりするために使用できます。遮断器に大きな故障電流が流れると、変流器を使用してこれを検出します。変流器の出力の大きさを使用して遮断器をトリップさせ、遮断器によって供給されている負荷を給電点から切り離します。これは、故障点をシステムの他の部分から隔離し、システムの他の部分が最小限の影響で動作を継続できるようにすることを目的としています。スイッチと遮断器はどちらも、ローカル（変電所内）または監視制御センターから遠隔で操作できます。
架空送電線では、雷や開閉サージの伝播により、変電所設備に絶縁破壊が発生する可能性があります。そのため、変電所設備を保護するために、送電線入口サージアレスターが使用されます。設備の故障（およびそれに伴う停電）を最小限に抑えるため、絶縁協調解析が広範囲にわたって実施されます。
スイッチング部品を通過すると、所定の電圧の送電線は1つまたは複数の母線に接続されます。これらは母線のセットであり、通常は3の倍数で構成されています。これは、三相電力配電が世界中で広く普及しているためです。
スイッチ、遮断器、バスの配置は、変電所のコストと信頼性に影響します。重要な変電所では、リングバス、ダブルバス、またはいわゆる「遮断器1.5個」構成が使用できます。これにより、いずれかの遮断器が故障しても他の回路への電力供給が途絶えず、変電所の一部を保守や修理のために停電させることができます。単一の産業負荷のみに電力を供給する変電所は、特に小規模な設備の場合、最小限のスイッチング機能で済む場合があります。[ 19 ]
感電の危険性があるため、変電所は電気作業員にとって本質的に危険です。[ 20 ]この危険を軽減するために、変電所はさまざまな安全機能を備えて設計されています。[ 21 ]活線導体と裸の機器は、保護された機器を使用するか、スクリーンを使用するか、距離を置くことによって分離されます。[ 21 ]管轄区域または会社に基づいて、[ 22 ]異なる活線機器または導体間、または活線金属と地面間の最小必要クリアランスに関する安全基準があり、フラッシュオーバーが発生する可能性が高いため、高電圧ではより高いクリアランスが必要になることがよくあります。[ 23 ]これに加えて、従業員が安全に作業し、車両が通過するための必要なスペースがあります。[ 24 ]通電中の変電所の一部で作業する必要がある場合がありますが、従業員は少なくとも3メートル（9.8フィート）の安全な距離を維持する必要があります。[ 25 ]変電所の設置面積を縮小するという目標は、従業員が安全に作業できる隙間を設けることで強化されるメンテナンスの容易さと相反します。[ 26 ]
変電所の地下には、約0.5 メートルまたは 0.6 メートル (1フィート 8インチまたは 2フィート 0インチ)の深さに敷設された導体のマットまたはグリッドが接地を提供します。[ 27 ] [ 28 ]このグリッドは、通常は銅ですが、一部の国では亜鉛メッキ鉄の場合もあります。 [ 28 ]作業中の回路を接地して、作業員が非通電回路に接触している間に誤って再通電されるのを防ぐために使用されます。[ 29 ]多くの場合、接地抵抗を低くするために、接地グリッドから接地棒が地面に深く打ち込まれ、[ 30 ]ベントナイトまたはマルコナイトで囲まれて抵抗をさらに低減し、変電所の寿命の間効果的な接地が確保されます。[ 31 ]地上では、接地導体は鋼、アルミニウム、または銅の場合があります。これらは、故障の予想される電流を 1 ～ 3 秒間流し、損傷しないのに十分な太さでなければなりません。[ 28 ]変電所のフェンスは、通常少なくとも高さ2 メートル (6フィート 7インチ)あり、一般の人々を電気的危険から保護するとともに、変電所を破壊行為から保護します。 [ 32 ]内部フェンスは、通電時に危険な区域から従業員を保護するために組み込むこともできます。[ 33 ]
変電所には一般的に、開閉装置、保護装置、制御装置、および変圧器が備えられています。大規模な変電所では、回路遮断器を使用して、ネットワーク上で発生する可能性のある短絡や過負荷電流を遮断します。小規模な配電所では、配電回路の保護に再閉路遮断器やヒューズが使用される場合があります。変電所自体には通常発電機はありませんが、発電所の近くに変電所がある場合があります。コンデンサ、電圧調整器、リアクトルなどの他の機器も変電所に設置されていることがあります。
変電所は、フェンスで囲まれた地上の区画、地下、または専用建物内に設置される場合があります。高層ビルには、複数の屋内変電所が設置されていることもあります。屋内変電所は、変圧器からの騒音を低減したり、外観を向上させたり、開閉装置を極端な気候や汚染から保護したりするために、通常は都市部に設置されています。
変電所では、電気機器間の導体としてバスバーがよく使用されます。バスバーは、厚さ3～6インチ（76～152 mm）のアルミニウム管、または電線（引張バス）です。 [ 34 ]
屋外の地上変電所構造物には、木製ポール、格子状の金属塔、管状の金属構造物などがありますが、他の種類もあります。スペースが広く、変電所の外観が重要でない場合は、鋼製の格子状塔が送電線や機器の低コストな支持構造物として利用できます。外観がより重要な郊外地域では、低背型の変電所が指定される場合があります。屋内変電所は、高電圧の場合はガス絶縁開閉装置を備えたガス絶縁変電所（GIS）となる場合があり、低電圧の場合は金属密閉型または金属被覆型の開閉装置が使用されます。都市部および郊外の屋内変電所は、周辺地域の他の建物と調和するように外装が仕上げられる場合があります。
コンパクト変電所とは、一般的に金属製の筐体内に設置された屋外変電所であり、電気機器の各部品が互いに非常に近い位置に配置されることで、変電所の設置面積を比較的小さく抑えている。
高電圧遮断器は、変電所設備の電流の流れを遮断するためによく使用されます。遮断時には、電流は正常、過負荷による過大、故障による異常、または予期されるトラブルの前に保護リレーによってトリップされる可能性があります。[ 35 ]遮断器内の導体を分離することによる電力アーク を消火するための最も一般的な技術には、次のものがあります。 [ 36 ]
リクローザーはブレーカーに似ており、保護リレーが別途必要ないため、より安価になる場合があります。配電でよく使用され、一定期間にわたって電流が一定量を超えるとトリップするようにプログラムされていることがよくあります。リクローザーは、遅延後に回路を再通電しようとします。数回失敗した場合は、電気作業員が手動でリクローザーをリセットする必要があります。[ 46 ]
コンデンサバンクは、変電所で誘導性負荷（モーター、変圧器、一部の産業機器など）からの遅れ電流と無効負荷のバランスを取るために使用されます。[ 47 ]分散型電源（小型ディーゼル発電機、屋上太陽光発電パネル、風力タービンなど）がシステムに追加される場合は、追加のコンデンサ容量が必要になる場合があります。 [ 48 ]コンデンサは電線内の電流を減らすことができ、電圧降下によるシステム損失を抑制したり、導体を通して余分な電力を送ったりするのに役立ちます。コンデンサは、一定の誘導性負荷に応じてオンのままにしておくことも、エアコンの場合のように誘導性負荷が増加したときにオンにすることもできます。スイッチングは遠隔で行うことができ、手動または自動で行うことができます。[ 47 ]
大規模な変電所には、変電所の他の機器を監視、制御、保護するために使用される機器の制御室があります。多くの場合、保護リレー、メーター、遮断器制御装置、通信機器、バッテリー、および変電所の運用に関する詳細なデータを保存する記録装置が設置されており、特に異常な動作があった場合に、事後に何が起こったかを再現するのに役立ちます。これらの制御室は通常、機器の信頼性の高い動作を確保するために暖房と冷房が完備されています。[ 49 ]風力や太陽光などの分散型発電による断続的な再生可能エネルギーに関連する電力サージに対処するには、追加の機器が必要です。 [ 50 ]
ほとんどの変圧器は、入力電力の 5 ～ 1.5 パーセントを熱と騒音として失います。鉄損は無負荷で、変圧器が通電されている間は常に一定ですが、銅損と補助損は電流の二乗に比例します。補助損はファンやポンプの運転によるもので[ 51 ]、変圧器が最大容量で運転しているときに騒音が発生します[ 52 ] 。騒音を低減するために、変圧器の周囲にエンクロージャーが構築されることが多く、変電所が建設された後にも追加できます[ 52 ] 。
油入変圧器は、燃える油や漏れる油の流出を防ぐために、囲いのある区域を設けて建設されることが多い。変圧器の周囲には、火災の延焼を防ぐために防火区画または防火壁が設けられる。[ 53 ]消防車両が区域にアクセスするための通路が確保される。[ 54 ]
変電所の保守には、点検、データ収集と分析、および定期的なスケジュール作業が含まれます。赤外線スキャンや溶存ガス分析などの方法を使用すると、変電所の保守が必要になる時期を予測したり、危険が顕在化する前に予測したりできます。赤外線技術は、変電所内で電気エネルギーが熱に変換されているホットスポットを検出します[ 55 ]。これは問題を示しており、高温によってさらなる損傷を引き起こす可能性があります。溶存ガス分析は、油入変圧器の油をろ過または交換する必要がある時期を知らせ、他の問題も検出できます[ 56 ] 。
初期の変電所では、機器の手動切り替えや調整、負荷、エネルギー消費量、異常事象に関するデータの手動収集が必要でした。配電網の複雑化に伴い、緊急時の全体的な調整を可能にし、運用コストを削減するために、中央監視ポイントから変電所の監視と制御を自動化することが経済的に不可欠となりました。変電所を遠隔制御する初期の取り組みでは、電力回路と並行して敷設されることが多い専用の通信線が使用されました。電力線搬送波、マイクロ波無線、光ファイバーケーブル、専用の有線遠隔制御回路はすべて、変電所の監視制御およびデータ収集（SCADA）に適用されています。マイクロプロセッサの開発により、経済的に制御および監視できるポイントの数が飛躍的に増加しました。今日では、 DNP3、IEC 61850、Modbusなどの標準化された通信プロトコルが、複数のインテリジェント電子機器が相互に、また監視制御センターと通信できるようにするために使用されています。変電所における分散型自動制御は、いわゆるスマートグリッドの要素の1つです。