エネルギー送電システム設計：重要な考慮事項と制約

送電システムの拡大と制約

発電所から変電所への電力送電は、今日の電力需要増加に伴い拡大しています。送電システムが数十年にわたり拡大する中、送電線の余剰容量はシステム成長や、システム需要を満たすためにより経済的な計画を立てる送電利用者によって消費されてきました。拡大は更なる消費を招き、更なる拡大を促進します。送電システム設計に関わる考慮事項と制約を理解することで、エンジニアはこれが運用と信頼性にどう影響するかの洞察を得られます。

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送電制約

拡大成長により、利用者は需要に基づきより多くのエネルギーを消費します。電力送電が増大電力フローを収容できなくなると送電混雑が発生します。送電混雑の理由は様々ですが、特定ルートでの電力フロー需要が信頼性を損なうことなく対応できないという共通の需要問題があります。一般的な制約と関連する結果を特定します。

熱的制約

送電線には独自の熱的限界があり、超えるとたるみが生じます。これにより、近くの植生、構造物、地面へのアーク放電である線路故障が発生する可能性があります。このとき保護送電コンポーネントが故障線を切り離し、端末機器の重大な損傷を防ぎます。

修理のために線路が切り離されると、他の送電線が損失を補うために負荷増を経験します。過負荷となり、運用制約を超えて熱的限界に達する可能性があります。この状況が迅速に抑制されない場合、損失を補う他の線路も同じシナリオを経験する恐れがあります。

この暫定対処が緊急時のみであることを理解する必要があり、送電線は依然として熱的限界を超える可能性があります。このため送電線には多くの場合、緊急定格があります。この定格は、熱的限界に達する可能性を最小限に抑えるため、より高い負荷転送を許容する特定時間を定めています。

電圧制約

一般的に、受電端での送電線リアクタンスは、送電端での印加電圧よりはるかに小さいです。定格電圧値より大きく高いか低いかの電圧偏差は、需要家側または供給側の機器損傷を引き起こす可能性があります。これが、要件を満たす運用を維持するための運用電圧制約を設ける理由です。この制約は、送電線が分散して長距離にわたる地域で特に重要です。

運用制約

負荷は常に変化し、これは小さな変化も大きな変化も含みます。比較的小さな負荷変化は、発電側の機械的出力が電気的需要に合わせて調整される際に発生します。変動が小さい限り、システム間の接続は同期したままです。負荷が大きさを増さず、低周波で振動しない限りシステムは安定します。これらの振動は問題のある電圧と周波数問題を引き起こし、不安定化や停電につながる可能性があります。

大規模な振動は、メンテナンス、故障、送電線の障害によって発生します。より大きな周波数範囲は、非定常状態の不安定性を引き起こす制御不能な状況を生む可能性があります。予防措置で潜在的不安定性を最小限に抑える必要があります。

電圧不安定は、システムがより大きな無効電力フローにさらされるときに発生します。これは送電端から受電端までの電圧差の結果であり、受電端での電圧降下を招きます。電圧低下は電流を増加させ、損失に寄与します。電圧崩壊が最終的な結果であり、機器損傷や停電を引き起こす可能性があります。

送電線設計の定義

送電線設計には多数の考慮事項が関わります。送電線にはそれらを定義する特定パラメータがあり、これらは環境影響に影響を与えます。基本パラメータには以下が含まれます。

• 定格電圧
• 線路長
• 標高範囲
• 設計負荷

定格電圧は実際の線路電圧の近似値です。実際の電圧は抵抗、距離、接続機器、線路の電気的性能に基づき変動します。標高範囲は概ね想定される気象と地形を意味します。設計負荷も気象要因に基づきます。例えば、風と氷が送電線と鉄塔に与える設計負荷。これは鉄塔寸法、長さ、鉄塔設計、導体機械的強度、風用ダンパーに影響します。

鉄塔設計パラメータ

送電鉄塔は、導体を周囲環境と互いから分離するよう設計されます。送電電圧が高いほど、より大きな分離距離が必要です。アークが送電線から地面に飛ぶと対地故障シナリオとなり、周囲へ電気が転移します。これは導体間でも発生し、相間故障と呼ばれます。

第一の設計考慮事項は、導体間、鉄塔、その他の潜在的アーク構造物との距離です。これにより鉄塔の物理的寸法の概要が得られます。これには鉄塔高さ、導体間隔、取り付け用絶縁子長さが含まれます。

次の設計考慮事項は、第一の設計要件を維持するための鉄塔フレームの構造強度です。これにはコンポーネント、気象、衝撃荷重が考慮されます。

最終的な設計考慮事項は、鉄塔と所定の設計荷重を支えるために必要な基礎を提供することです。

クリアランス設計パラメータ

鉄塔の基本機能は、導体を周囲、他の導体、潜在的アーク構造物から隔離することです。クリアランスは相-鉄塔、相-相、相-地に基づきます。相-鉄塔クリアランスは通常、導体動きを考慮に入れた絶縁子ストリングで維持されます。相-地クリアランスは鉄塔高さに基づき、線路温度を最小限に抑え、たるみの可能性を抑制し、植生と潜在的アーク構造物を制御します。相-相分離は鉄塔ジオメトリと線路動き制限で制御されます。

落雷保護設計

鉄塔が高いほど落雷の可能性が高まります。落雷は送電設備と需要家機器に多大な損害を与える可能性があります。落雷被害を最小限に抑えるため、鉄塔頂点から地面へ追加のケーブルを張り、落雷がそれに従うようにします。これらは一般的にシールドワイヤと呼ばれ、機器故障防止に役立ちます。

導体動き抑制設計

気象影響による導体動きは、送電設備に損傷を与える可能性があります。最も一般的な送電ダンパーはストックブリッジダンパーです。これらは導体下部、鉄塔への導体取り付け点に隣接して設置されます。気象影響の適切な予測は、送電鉄塔に必要なダンパー設計決定に役立ちます。これらは気象による振動効果がユーティリティ機器に損傷を与えるのを防ぎます。

E3.Cableによる物理設計レイアウト

E3.Cableは、電気CADと機械CADを多用途に融合した洗練されたプラットフォームを提供します。これにより、送電線、変電所相互接続、送電鉄塔の設計を容易かつシンプルにするツールと機能が提供されます。幾何学的要件を維持しながら、設計の衝突を防ぐために必要な機能を提供します。

• 相互接続システムパネルと送電線の作成（ドラッグ＆ドロップ・スナップイン機能）
• ユーザー要求に基づく入力パラメータによるエラーのない設計作成
• パネルコントローラの物理表現作成
• 設計ルールチェック
• 干渉検出
• 配置エラー防止

E3.3D Routing Bridge

E3.3D Routing Bridgeは、市場で最も使用されているMCADソフトウェアと送電線ルーティング・構成の間で容易な移行を提供します。MCADファイルをE3.3D Routing Bridgeに簡単に転送し、設計パラメータのための送電線長と直径を決定します。これは、機械と電気エンジニアリングの側面を一つの使いやすいソフトウェアで結ぶ中間ステップを提供します。E3.3D Routing Bridgeは、導体、送電線、絶縁子間の相互接続と、運用エンジニアリングパラメータ達成に必要なクリアランスのより明確なイメージを提供します。主な機能：

• MCADへのコンポーネント情報転送
• MCADでのコンポーネント衝突チェック
• 送電線たるみや曲げの考慮
• MCADでの送電線とセグメント長の計算

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適切な設計ツールの選択

設計制約と考慮事項を理解することは、最高の送電設備設計への第一歩に過ぎません。最高品質と信頼性を生み出す最良のツールを持つことは、エンジニアに何倍もの価値をもたらします。設計エンジニアリングの次のステップへ進みましょう。