変電所

変電所は、発電、送電、配電システムの一部です。変電所は、高電圧から低電圧へ、またはその逆の変換、またはその他の重要な機能を実行します。発電所と消費者の間では、電力は異なる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で電圧レベルを変更する変圧器が含まれる場合があり、2つの異なる送電電圧を相互接続する場合もあります。変電所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。米国には55,000の変電所があります。^[2]

変電所は、電力会社が所有および運営する場合もあれば、大規模な産業または商業顧客が所有する場合もあります。通常、変電所は無人で、リモート監視および制御はSCADAに依存しています。

変電所という言葉は、配電システムが送電網になる前の時代に由来しています。中央発電所が大きくなるにつれて、小規模な発電所は配電所に転換され、独自の発電機を使用する代わりに、より大きな発電所からエネルギー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、その発電所の子会社でした。

変電所は請負業者によって設計・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ります。最も一般的な方法は、電力会社が設計と調達を行い、実際の建設には請負業者を雇うというものです。^[3]変電所建設における主な設計上の制約には、土地の可用性とコスト、建設期間の制限、輸送上の制限、および変電所を迅速に稼働させる必要性などがあります。^[4]プレハブは建設コストを削減するための一般的な方法です。^[5]新しい変電所を接続するために、別の変電所での部分的な停止が必要になる場合がありますが、電力会社はダウンタイムを最小限に抑えるよう努めることがよくあります。^[6]

変電所は通常、以下の目的のうち少なくとも1つを果たします。^[7]

• 発電によって生成された電圧を昇圧変圧器を使用して高め、長距離にわたって効率的に送電する^{[8] [9]}
• 異なる電力網の相互接続^[8]
• 送電線から各家庭や企業に電力を供給する低電圧配電線への電圧を下げる^{[8] [9]}
• 交流（AC）から直流（DC）への変換^[8]

送電変電所は2本以上の送電線を接続します。^[10]最も単純なケースは、すべての送電線の電圧が同じである場合です。このような場合、変電所には、障害除去やメンテナンスのために線路を接続または分離できる高電圧スイッチが含まれます。送電所には、2つの送電電圧を変換する変圧器、コンデンサ、リアクトル、静的VAR補償器などの電圧制御/力率補正装置、および隣接する2つの電力システム間の電力フローを制御する位相シフト変圧器などの機器が備わっている場合があります。

送電変電所は、単純なものから複雑なものまでさまざまです。小さな「スイッチング ステーション」は、バスといくつかの遮断器に少し似ているかもしれません。最大の送電変電所は、複数の電圧レベル、多数の遮断器、および大量の保護および制御機器 (電圧および変流器、リレー、およびSCADAシステム) を備え、広いエリア (数エーカー/ヘクタール) をカバーすることがあります。最新の変電所は、 IEC 規格 61850などの国際規格を使用して実装される場合があります。

配電用変電所は、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]大量の電力を使用しない限り、電力消費者を主送電網に直接接続することは不経済であるため、配電所は電圧を地域配電に適したレベルに下げます。

配電変電所の入力は通常、少なくとも 2 本の送電線または準送電線です。入力電圧は、たとえば 115 kV など、その地域で一般的な電圧です。出力は、いくつかのフィーダーです。配電電圧は通常、中電圧で、サービス提供エリアの規模と地元の電力会社の慣行に応じて、2.4 kV から 33 kV の間です。フィーダーは、道路の頭上 (場合によっては地下) に沿って走り、顧客敷地内またはその近くにある配電変圧器に電力を供給します。

配電用変電所は、電圧を変換するだけでなく、送電システムまたは配電システムの障害を分離します。配電用変電所は通常、電圧調整ポイントですが、長い配電回路（数マイル/キロメートル）では、ラインに沿って電圧調整装置も設置されることがあります。

大都市の中心部には、高圧の開閉器と低圧側の開閉器およびバックアップ システムを備えた複雑な配電用変電所があります。より一般的な配電用変電所には、低圧側に開閉器 1 台、変圧器 1 台、および最小限の設備があります。

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、集電変電所が必要になる場合があります。これは配電変電所に似ていますが、電力の流れは多くの風力タービンまたはインバータから送電網へと逆方向になります。通常、建設費を節約するために、集電システムは 35 kV 前後で動作しますが、一部の集電システムは 12 kV であり、集電変電所は電圧を網の送電電圧まで昇圧します。集電変電所は、必要に応じて力率補正、計測、および風力発電所の制御を行うこともできます。特別な場合には、集電変電所に HVDC コンバーター ステーションを含めることもできます。

集電変電所は、同程度の出力を持つ火力発電所や水力発電所が複数近接している場所にも存在します。このような変電所の例としては、ドイツのブラウヴァイラーやチェコ共和国のフラデツがあり、これらの変電所では、近くの褐炭火力発電所から電力が集められています。電圧を送電レベルまで上げるために変圧器が必要ない場合、変電所はスイッチング ステーションです。

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付けられる場合があります。これらのステーションには、電流の周波数を変更したり、交流から直流またはその逆に変換したりするための電力電子機器が含まれています。以前は、回転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、現在ではこのような変電所はまれです。

スイッチング ステーションは、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です。スイッチング ステーションは、集電所や配電所として使用されることがあります。また、バックアップ ラインへの電流の切り替えや、障害発生時の回路の並列化に使用されることもあります。例としては、HVDC インガ シャバ送電線のスイッチング ステーションがあります。

スイッチング ステーションはスイッチヤードとも呼ばれ、通常は発電所のすぐ隣または近くに設置されます。この場合、発電所の発電機は、ヤードの片側にある発電機バスを介してヤードに電力を供給し、送電線はヤードの反対側にあるフィーダー バスから電力を受け取ります。

変電所が実行する重要な機能はスイッチング、つまり送電線やその他のコンポーネントをシステムに接続したりシステムから切断することです。スイッチング イベントは計画されている場合も、計画外の場合もあります。送電線やその他のコンポーネントは、メンテナンスや新規建設 (送電線や変圧器の追加や削除など) のために電源を切る必要がある場合があります。供給の信頼性を維持するために、企業はメンテナンスを実行しながらシステムを稼働させ続けることを目指しています。日常的なテストからまったく新しい変電所の追加まで、実行するすべての作業は、システム全体を稼働させながら行う必要があります。

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  グランド クーリー ダムの開閉所(米国、2006 年)。これは 500 kV の開閉所です。
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  ドイツのシュトゥットガルトにある旧高電圧変電所。現在は 110 kV 開閉所。送電網の簡素化のため、220 kV レベルは廃止されています。
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  米国ワシントン州の高電圧変電所

計画外のスイッチング イベントは、次のような伝送ラインまたはその他のコンポーネントの障害によって発生します。

• 電線に雷が落ちてアークが発生すると、
• 強風により塔が倒れる。

スイッチングステーションの機能は、システムの障害部分を可能な限り短時間で隔離することです。障害のある機器の電源を切ることで、機器がそれ以上損傷するのを防ぎ、障害を隔離することで、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。^[12]

電化鉄道では変電所も使用されており、配電変電所である場合が多い。場合によっては、直流(DC) 列車の場合は整流器、公共の送電網とは異なる周波数の交流 (AC) を使用する列車の場合は回転コンバータを使用して、電流タイプの変換が行われる。鉄道網が他の駅に電力を供給するために独自の送電網と発電機も運用している場合、変電所は送電変電所または集電変電所でもあることがある。

移動式変電所は車輪の付いた変電所で、変圧器、遮断器、母線設備が独立したセミトレーラーに搭載され、トラックで牽引される。公道での移動が可能なコンパクト設計で、自然災害や戦争の際の臨時バックアップとして使用される。移動式変電所の定格は通常、常設設備よりもはるかに低く、道路移動の制限に合わせて複数のユニットで構築されることもある。^[13]

変電所の設計は、電力の可用性と信頼性を確保しながら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ます。^[14]

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に建設されることがあります。^{[15] [16]}

変電所の設置場所の選択には、多くの要素を考慮する必要があります。電気安全のために必要なクリアランスを備えた機器の設置、および変圧器などの大型機器の保守のためのアクセスには、十分な土地面積が必要です。敷地には、負荷の増加や計画されている送電設備の追加による拡張の余地が必要です。排水、騒音、道路交通への影響など、変電所の環境への影響を考慮する必要があります。

変電所の敷地は、サービス提供先の配電エリアの適度な中心に位置していなければなりません。変電所の敷地は、通行人の侵入から保護され、感電やアークによる負傷から人を守るとともに、破壊行為による誤作動から電気システムを保護する必要があります。

変電所は公益事業会社が所有・運営していない場合、通常、更新可能な99年リースなどの長期リース契約に基づいて使用され、公益事業会社に賃貸権の安定性が与えられます。^[17]

変電所レイアウトを計画する最初のステップは、必要なスイッチングと保護の配置、および入力供給線と出力フィーダー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、実際の変電所に機器が配置されるのと同様に、主要な要素（線、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ことが一般的です。^[10]

一般的な設計では、入力ラインには断路器と遮断器があります。場合によっては、ラインに両方が備わっておらず、スイッチまたは遮断器のいずれかのみが必要であると見なされることがあります。断路器は負荷電流を遮断できないため、分離を提供する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デバイスとして使用され、負荷のオン/オフを切り替えたり、電力が「間違った」方向に流れているときにラインを切断したりするために使用できます。大きな故障電流が遮断器を流れると、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し、遮断器によって供給される負荷を給電点から切断することができます。これにより、故障点をシステムの残りの部分から分離し、システムの残りの部分が最小限の影響で動作を継続できるようにします。スイッチと遮断器は両方とも、ローカル（変電所内）または監視制御センターからリモートで操作できます。

架空送電線では、雷やスイッチングサージの伝播により変電所機器の絶縁が損なわれる可能性があります。そのため、変電所機器を保護するために、送電線入口サージアレスタが使用されます。機器の故障（およびそれに伴う停電）を最小限に抑えるために、絶縁調整研究が徹底的に実施されます。

スイッチング コンポーネントを通過すると、特定の電圧のラインは 1 つまたは複数のバスに接続されます。これらはバスバーのセットであり、通常は 3 の倍数です。これは、世界中で 三相電力配電がほぼ普遍的であるためです。

使用されるスイッチ、遮断器、母線の配置は、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、リング母線、二重母線、またはいわゆる「ブレーカー・アンド・ハーフ」構成を使用できます。これにより、1 つの遮断器が故障しても他の回路への電力供給が中断されることはなく、変電所の一部はメンテナンスや修理のために電源を切ることができます。単一の産業負荷のみに電力を供給する変電所では、特に小規模な設備では、スイッチング設備が最小限で済む場合があります。^[18]

変電所は感電の危険があるため、電気作業員にとって本質的に危険です。^[19]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。^[20]活線と裸の機器は、保護された機器を使用するか、スクリーンや距離を使用して分離されています。^[20]管轄区域または会社によって異なりますが、^[21]異なる活線機器または導体間、または活線金属と地面の間に必要な最小間隔に関する安全基準があり、これは多くの場合異なり、高電圧ではフラッシュオーバーが発生する可能性が高くなるため、より高い間隔が必要です。^[22]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に必要なスペースがあります。^[23]変電所の一部で通電中に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）の安全距離を維持する必要があります。^[24]変電所の設置面積を減らすという目的は、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しやすさと矛盾します。^[25]

変電所の下では、地中約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）に敷かれた導体のマットまたはグリッドが接地を提供します。^{[26] [27]}このグリッドは、通常銅ですが、国によっては亜鉛メッキ鉄の場合もあります。 ^[27 ] このグリッド は、作業員が通電されていない回路に触れている間に誤って再通電するのを防ぐために、作業中の回路を接地するために使用されます。^[28]多くの場合、接地抵抗を下げるために、接地棒が接地グリッドから地中深くまで打ち込まれ、^[29]抵抗をさらに減らし、変電所の耐用年数全体にわたって効果的な接地を確保するために、ベントナイトまたはマルコナイトで囲まれることがあります。 ^[30]地上では、接地導体は鋼、アルミニウム、または銅です。接地導体は、故障時に予想される電流を1〜3秒間流しても損傷しないだけの太さが必要です。^[27]変電所のフェンスは、通常、高さが2メートル（6フィート7インチ）以上あり、公衆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。^[31]通電時に危険なエリアから従業員を保護するために、内部フェンスを組み込むこともできます。^[32]

変電所には通常、スイッチング、保護および制御機器、変圧器があります。大規模な変電所では、回路網で発生する可能性のある短絡や過負荷電流を遮断するために回路遮断器が使用されます。小規模な配電所では、配電回路の保護に再閉路回路遮断器または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、電圧レギュレータ、リアクタなどの他のデバイスも変電所に設置されている場合があります。

変電所は、フェンスで囲まれた地上、地下、または専用建物内にあります。高層ビルには、屋内に複数の変電所がある場合があります。屋内変電所は、通常、変圧器からの騒音を低減したり、外観を改善したり、極端な気候や汚染から配電装置を保護したりするために、都市部に設置されます。

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、またはワイヤ（ストレインバス）です。^[33]

屋外の地上変電所の構造には、木製の柱、格子状の金属塔、管状の金属構造などがありますが、他のバリエーションも利用できます。スペースが十分あり、変電所の外観が重要でない場合は、鋼鉄格子塔が低コストで送電線や装置を支えることができます。外観がより重要な郊外地域では、低プロファイルの変電所が指定されることがあります。屋内変電所は、ガス絶縁変電所 (GIS) (高電圧ではガス絶縁開閉装置を使用) にするか、低電圧では金属で囲まれた開閉装置または金属被覆開閉装置を使用します。都市部および郊外の屋内変電所は、その地域の他の建物と調和するように外側を仕上げることがあります。

コンパクト変電所は、一般的に金属製の筐体内に構築された屋外変電所であり、変電所の設置面積を比較的小さくするために、各電気機器が互いに非常に近い位置に配置されています。

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一般的に使用されています。遮断時には、電流は正常、過負荷により高すぎる、故障により異常、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する可能性があります。^[34] 遮断器内の導体を分離する電力アークを消す最も一般的な技術は次のとおりです。^[35]

• 大気圧の空気（空気絶縁開閉装置（AIS））は、世界中で最も普及しています。^[36]空気は最も安価な絶縁体であり、改造も簡単ですが、AISはより多くのスペースを占め、機器が外部環境にさらされます。^[37] AISの欠点の1つは、架空送電線が出入りする大規模な変電所の視覚的な影響であり、景勝地や都市部では受け入れられない可能性があります。^[38] AISは地震の多い地域では追加の補強が必要であり、他の技術よりも多くの電磁場とノイズを放出します。^[39]
• ガス（ガス遮断器（GCB）またはガス絶縁開閉装置（GIS））、最も一般的なのは六フッ化硫黄（SF _{6 ）またはSF 6}を含むガスの混合物です。^[36]これらのガスは最も高価ですが、空気よりもはるかに効果的な絶縁体です。^[37] GIS は AIS の 10 ～ 20 パーセントの土地面積しか必要としないため、^[40]都市部での土地取得コストを節約でき、^[37]変電所を工業地帯または都市部でその電力が使用されている正確な場所に建設することができ、大幅なコスト削減が可能です。 発電側では、GIS を発電機の近くに設置できるため、ケーブル配線、バスダクト接続、土木工事のコスト削減が可能になり、信頼性を高めることができます。^[38]電力要件が増加した場合、追加の土地面積を必要とせずに AIS を GIS に置き換えることができます。^{[38 [37] [38]}変電所が頻繁に開閉に使用されない限り、メンテナンスコストは非常に低く、または何年もゼロになる可能性があります。^{[41] SF} _6は-40°C（-40°F）付近で固体になる ため、気候によっては、これらの遮断器が極寒の天候で機能するためにヒーターが必要になります。^[42] SF _6は1960年代からスイッチギアに使用されています。^[43]
• 鉱油（OCBは油回路遮断器の略）は、開いた接点間に高い抵抗をもたらし、電流の流れを効果的に止めます。^[35]油回路遮断器は広範囲の電圧に適していますが、アークの抑制中に油が汚染されるため、定期的にろ過または交換する必要があります。^[44]
• 真空は空気よりも絶縁性に優れていますが、ガスや油ほどではありません。真空遮断器（VCB）は空気遮断器よりも小さく、35kV以下の配電やその他の開閉装置でよく使用されます。^[42]
• ガス絶縁と空気絶縁の両方を含む混合。これは最も一般的ではないオプションですが^[36]、空気絶縁変電所を拡張する必要があるが、追加建設のための場所が非常に限られている場合に役立ちます。^[37]

リクローザーはブレーカーに似ており、別途保護リレーを必要としないため、より安価です。配電によく使用され、一定期間内にアンペアが一定量を超えると作動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、遅延後に回路に再度通電しようとします。数回失敗した場合は、電気工事士が手動でリクローザーをリセットする必要があります。^[45]

コンデンサバンクは変電所で、誘導負荷（モーター、変圧器、一部の産業機器など）からの遅れ電流とその無効負荷のバランスをとるために使用されます。 ^[46]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。 ^[47]コンデンサは電線の電流を減らし、電圧降下によるシステム損失を抑制したり、導体を通じ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、一定の誘導負荷に応じてオンのままにしたり、夏のエアコンなど誘導負荷が増加したときにオンにしたりできます。切り替えはリモートで、手動または自動で行うことができます。^[46]

大型変電所には、変電所の残りの機器を監視、制御、保護するための機器用の制御室があります。制御室には、保護リレー、メーター、ブレーカー制御、通信、バッテリー、レコーダーなどが設置されていることが多く、変電所の運用に関する詳細なデータを保存します。特に異常な活動があった場合、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、暖房と空調が完備されており、機器の信頼性の高い動作が保証されています。^[48]風力や太陽光による分散型発電など、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。^[49]

ほとんどの変圧器は、入力の5～1.5%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ときは常に一定ですが、銅損と補助損失は電流の2乗に比例します。補助損失はファンやポンプの稼働によるもので^[50]、変圧器が最大容量で稼働しているときは騒音が発生します。^[51]騒音を減らすために、変圧器の周囲に筐体が作られることが多く、変電所の建設後に追加されることもあります。^[51]

油ベースの変圧器は、多くの場合、火災や油漏れを防ぐために防火壁で囲まれたエリアが設けられています。変圧器の周囲には火災の拡大を防ぐために防火区画または防火壁が設けられています。^[52]消防車両は、このエリアにアクセスするための通路が許可されています。^[53]

変電所のメンテナンスには、検査、データ収集と分析、定期的な作業が含まれます。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、変電所のメンテナンスが必要になる時期を予測し、危険が現実化する前に予測することができます。赤外線技術は、変電所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見つけます。 ^[54]これは問題を示しており、高熱による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、油絶縁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、他の問題も検出します。^[55]

初期の変電所では、機器の切り替えや調整を手動で行ったり、負荷、エネルギー消費、異常なイベントに関するデータを手動で収集したりする必要がありました。配電網の複雑さが増すにつれ、緊急時に全体調整を行い、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必要になりました。変電所を遠隔制御する初期の取り組みでは、専用の通信線が使用され、多くの場合、電力回路と一緒に配線されていました。電力線搬送、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使用され、複数のインテリジェント電子デバイスが互いに、また監視制御センターと通信できるようになっています。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一つです。

ウィキメディア・コモンズには、変電所に関連するメディアがあります。

• ブルーム、SW（2016）。非電気専門家のための電力システムの基礎。IEEE Press 電力・エネルギーシステムシリーズ。Wiley。ISBN 978-1-119-18019-7。
• フィン、ジョン（2019）。「変電所の計画と概念の紹介」。変電所。Springer International Publishing。pp.7–10。ISBN 978-3-319-49574-3。