発電機一般の学習帳
目次
過渡安定度向上対策
自動電圧調整器（AVR）
タービン発電機の励磁装置内に設置される自動電圧調整器(Automatic Voltage Regulator)は、系統事故時等での電圧変動を極力小さくさせ（電圧を一定に保ち）、系統安定度の向上、電力損失の軽減、機器の安定運転などを図る目的で設置される。
求められる特性は、
- 調整速度が速いこと
- 偏差が少なく、感度が大きく、連続制御可能であること
- 摩耗部や接触部が極力なく、点検保守が容易であること
代表的な励磁方式として、静止形励磁方式（サイリスタ励磁方式）、交流励磁方式、直流励磁方式があるが、これら励磁方式のうち、同期発電機の過渡安定度の向上効果を最も期待できる方式は静止形励磁方式（サイリスタ励磁方式）である。
最近では、静止増幅器形（サイリスタ形）AVRが多く採用される。サイリスタ形AVRは、発電機端子電圧をVT（PT）により検出し、基準電圧と比較して、その差を増幅器で増幅し、サイリスタのゲート点弧位相を調整することにより、発電機の界磁電流を制御する。端子電圧が基準電圧に一致するまで、発電機の界磁電流を調整する。
静止形励磁方式（サイリスタ励磁方式）は同期発電機の過渡安定度の向上効果を最も期待できる方式である。理由は応答速度が速いことに加え、頂上電圧（界磁の印加最高電圧）を高くすることができるので、系統事故除去後の回復電圧を高くし、発電機の電気出力を大きくすることにより、過渡安定度の向上を図ることができるからである。
電力系統安定化装置（PSS）
電圧変動を抑制するため、AVR含む励磁系の応答を高めた超速応励磁方式が採用されている。しかし、速応性を高めていくと，動揺の第一波は抑制できるものの第二波以降の減衰が悪くなって振動が長時間継続する弱制動現象が発生するし、場合によっては振動が増大して脱調に至ることもある。
この弱制動現象を抑制するために励磁を動的に調整し，電力動揺の減衰性（制動力）を高める機能を持つ電力系統安定化装置（Power System Stabilizer）がAVR に付加される。
電力変動又は発電機軸変動若しくは周波数変動（あるいはこれらの2つを組み合わせたもの）を検出し、これに対して補償装置で適切な利得と位相補償を施して補助信号を作成しAVR の入力に加算して励磁を動的に制御することで、動揺を減衰させる制動トルクが発生するようにしている。
過去問題：
電験２種過去問【2021年電力 問3】（電力系統安定化装置に関する記述）
発電機の進相運転
進相運転の目的
電力系統は、超高圧送電線路や地中ケーブル送電線による線路充電容量の増大及び需要家の力率改善用コンデンサの普及などによって、深夜の軽負荷時等には系統側の無効電力（進み負荷）が過剰となり、系統電圧が上昇する傾向となる。
このため、分路リアクトルや同期調相機を設置したり、軽負荷送電線を停止するなどして、無効電力を吸収する対策をとっているが、これらには限界がある。
そのため、系統に並列されているタービン発電機の励磁電流を下げ低励磁で進相運転することにより、無効電力を吸収し、系統電圧上昇を抑制することを目的とする。
進相運転時の留意点
- 系統安定度の低下
タービン発電機内部誘導起電力が低くなることによって、タービン発電機の同期化力が減少し、定態安定度が低下する。 - 発電機固定子鉄心端部の過熱
進相運転時には、発電機固定子鉄心部の漏れ磁束の量が著しく増大し、漏れ磁束が固定子端部に通りやすくなり鉄心端部に大きな過電流が流れ、発電機固定子鉄心端部が過熱する。 - 所内電圧の低下
進相運転による発電機端子電圧低下に伴い、タービン発電機の出力から直接電源の供給を受ける所内補機については、所内電圧が異常に低下する。
留意点に対する発電所での対策
- PSS付きの超即応励磁制御装置（頂上電圧が高く応答の早い高性能励磁装置）（高速度 AVR ）を設置し端子電圧の変動を少なくさせ定態安定度を向上させる。
- 不足電圧励磁制限装置を使用し、上記留意点が発生しないように励磁電圧の下限値を設定する。
- 所内電圧が異常に低下しないように所内変圧器に負荷時タップ切替器を設置して安全運転範囲内にする。
- 非磁性保持環、鉄心の段落とし、磁束シャントなどの採用により、固定子鉄心端部を通る漏れ磁束を低減する。
- 非磁性押え板、押え板の銅板シールド、鉄心端部のスリットなどの採用により固定子鉄心端部の渦電流を低減する。
タービン発電機の励磁方式
交流励磁機方式は、発電機の界磁巻線へ直流電流を供給する励磁電源供給機器として、交流の励磁用同期発電機（交流励磁機）を使用するものである。交流励磁機の励磁電源には他励方式と分巻方式があるが、他励方式では、主発電機、交流励磁機と同一軸上に設置された副励磁機の出力を整流し、交流励磁機の励磁電源に使用する。
主発電機と同一軸上に回転電機子形発電機と回転整流器を取り付け、スリップリングを設けずに直接発電機の励磁電源に使用する方式をブラシレス励磁方式という。
静止形励磁方式は、励磁用電源供給機器として励磁用変圧器または励磁用変流器を使用するもので、サイリスタを用いた整流器で点弧角を調整して直流出力電圧を変化させて、発電機の界磁電流を制御する。サイリスタ励磁方式には、サイリスタのみで構成される均一ブリッジ形と、サイリスタとダイオードとを組み合わせて構成される混合ブリッジ形がある。
タービン発電機の逆相電流
タービン発電機に逆相電流が流れた場合、回転子に発生する現象とその影響並びに対策、また、タービン発電機に要求される逆相電流の制限値がどのように設定されているかを述べる。
（現象）
タービン発電機に流れる逆相電流は、発電機内部に回転子と逆方向に回転する磁界を作り、これが界磁巻線に鎖交すると回転子に２倍周波数の電圧が誘起される。このため回転子には同周波数の渦電流（制動電流）が発生する。この電流は、表皮効果により主に回転子のくさびと保持環の間を流れる。
くさびと保持環の接触部などは接触抵抗が大きいため、この部分を通る渦電流によって過熱される。
（影響）
この結果、
・くさびがなまされてせん断破壊を起こす。
・保持環が熱膨張し、焼きばめ部分があまくなってアークが発生し、材料を損傷する。
などの影響を与える。
（対策）
そこで、
・回転子に制動巻線を設け、制動分電流を流す。
・くさびに特殊耐熱材を用いる。
・発電機に逆相電流リレーを設け、警報の発報や発電機の停止を行う。
などの対策が採られる。
（制限値の設定）
タービン発電機に要求される逆相電流の制限値は、JEC(2130-2000)において次のように規定されている。
・連続運転に対しては、定格電流に対する一定の比率
・故障状態での短時間運転に対しては、上記比率の二乗と時間の積
また、これらの制限値は、回転子の冷却方式や発電機容量により、以下のような傾向で定められている。
・間接冷却方式より直接冷却方式の方が小さい。
・直接冷却方式の場合、発電機容量の大きい方が小さくなる。
・短時間運転においては、空冷式より水素冷却式の方が小さい。
同期発電機の自己励磁現象
自己励磁現象とは、回転している同期発電機に、無励磁のままで容量性負荷を接続した場合に発生する現象をいう。
自己励磁現象によって発生する発電機端子電圧について、発電機の無負荷飽和曲線を用いて説明する。
残留磁気による電圧が進み電流を生じさせ、この電流がさらに端子電圧を高めて進み電流を増加させ、端子電圧はある極限値に達して安定する。
容量性負荷の静電容量を C とすれば負荷側から決まる電圧 v と電流 i の関係は i= (2πfC)・v であり、図に示すように直線（M₁:静電容量小、M₂:静電容量大）となり、最終的には無負荷飽和特性Nと直線M₁:あるいはM₂の交点m₁（電圧v₁）あるいはm₂（電圧v₂）に到達し安定する。
系統側の条件が同じ場合に、大容量の水力発電機、小容量の水力発電機、大容量の火力発電機、小容量の火力発電機のうちであれば、大容量の水力発電機が最も自己励磁現象を起こしにくい。理由は以下。
発電機が自己励磁現象を起こすことなく送電線を充電できる最大充電容量Qは次式より求められる。
\(\displaystyle Q=\frac{v^2}{x_d}\)
ここで、v：充電電圧、xd：同期リアクタンス（不飽和値）
水力発電機の自己容量ベースの同期リアクタンスは火力発電機に比べて小さく、また、容量が大きいほど系統からみた同期リアクタンスが小さくなる。そのため最大充電容量が大きくなり最も自己励磁現象を起こしにくい。
同期リアクタンスが小さい発電機の選択以外に、自己励磁現象を防止するための対策を二つ挙げる。
➀受電端に並列リアクトルを接続する。
送電線路の静電容量を補償し、進み電流による自己励磁を減少できる。
➁発電機を複数台、母線に接続する。
各発電機は容量と短絡比との積に比例して充電電流を分担するので安全に充電できる。（ただし、この場合、界磁電流が小さいため同期化力が小さく並列運転に困難を伴う場合もある。）
汽力発電所の所内単独運転
所内単独運転の目的
所内単独運転は、電力系統の事故により汽力発電ユニットが系統から分離した場合に実施される。ユニットを停止させることなく、所内負荷をもって運転を継続し、系統電圧の復帰を待って迅速に並列・出力上昇を行うことが目的である。
所内単独運転の与える影響
所内単独運転中のボイラ設備、タービン設備、電気設備について、各設備への影響を踏まえて制御上注意すべきことは以下など。
ボイラ設備
安定した燃焼状態を維持するために、出力に追従したバーナ本数制御、燃料、空気流量の絞り込みを行う。
タービン設備
ロータの寿命に影響を与えるような温度変化が起きないように、蒸気温度を維持する。
電気設備
所内負荷である補機電動機の運転が継続できるように、定格周波数、定格電圧を維持する。
非常用電源設備
火力発電所において外部の交流電源が喪失した場合でもユニットを安全に停止させるための非常用電源として直流、交流電源が設置されている。
直流電源として蓄電池が使用され、その負荷としては、重要な保護・制御電源、及び必要最小限の非常用電動機負荷がある。
蓄電池の容量は停電中に供給する負荷並びに停電の継続時間を想定し、更に経年変化、温度変化、電圧降下を勘案して決定される。
交流電源については、主にディーゼル発電機やガスタービン発電機が設置され、その負荷としては、タービン油ポンプ、ターニングギアモータ、密封油ポンプなどがある。
過去問題：
電験２種過去問【2021年電力 問5】（火力発電所の非常電源設備）
発電機の冷却方式
水素冷却方式
水素ガスは、空気に比べ比熱が大きいため（約14倍）冷却効率が高く、また、空気に比べ比重が小さい（1/14で約7％）ため風損が小さく（空気の10％程度）効率が向上する。
水素は、空気より絶縁物に対して不活性であり、コロナ発生電圧が高いために、絶縁物の劣化が少ない。水素ガス圧力を高めると大気圧の空気よりコロナ放電が生じ難くなる。
水素ガスと空気を混合した場合は、水素ガス濃度が一定範囲内になると爆発の危険性があるので、固定子枠を耐爆構造としなければならない。また、爆発を防ぐため自動的に水素ガスを濃度を90％以上に維持している（濃度が85％以下で警報を出すことになっている）。
通常運転中は、発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れないように軸受けの内側に油膜によるシール機能（密封油装置）を備えており、機内からの水素ガスの漏れを防いでいる。
- 水素は空気に比べ比重が小さいため、風損を減少することができる。
- 水素を封入し全閉形となるため、運転中の騒音が少なくなる。
- 水素は空気より発電機に使われている絶縁物に対して化学反応を起こしにくいため、絶縁物の劣化が減少する。
- 水素は空気に比べ比熱が大きく、熱伝導率が大きいため、冷却効果が向上する。
- 水素の漏れを防ぐため、密封油装置を設けている。
密封油装置
発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れるのを防止する装置。水素冷却発電機は、水素ガスが空気と混じると広い混合比の範囲内で爆発するので、厳重な気密構造とする必要がある。最も外気と接触しやすい部分は軸受部分で、この部分にはオイルシールを施し、水素ガスが軸に沿って機外に漏れるのを防止するとともに空気の侵入を防止するため、油膜による密封装置を備えている。密封油はできるだけ機内ガス純度を下げないように制御する必要があり、常に機内ガス圧より0.05〔MPa〕高く保っている。
密封油の処理方法には真空処理式、複流式、連続掃気式がある。
- 真空処理（単流）式
真空処理をした油を密封部に送り込む方式で、真空タンク内を高真空に保ち、密封油内部に溶解した空気、水蒸気その他不純ガスの大部分を抽出する。発電機内の水素ガスは、油中に溶け込んで消費され、圧力が低下するので、水素を補給して適正値を保つ。
軸封油を介して機内に侵入する空気量を少なくするため、軸封部に行く密封油の回路を空気側と水素側とに分け、密封部で互いに混ざり合うことが少ないようにしたもので、機内へ空気を放出することはなくなり、真空処理装置が省略できる。
しかし、空気側と水素側の密封油が完全に混ざり合わないように圧力調整を精密に行うことは困難であるので、真空処理式を併用した下図のようなシステムが実用化されている。
- 連続掃気式
真空処理しない油を密封部に供給する方式である。密封部と発電機本体間に隔室を設け、未処理油を介し侵入してくる純度の低いガスをこの隔室から一定の割合で機外に放出し、密封油中の空気、水分などが機内に入るのを防止する。機内ガスが圧が下がった分だけ水素を補給する。水素の補給量は僅かで済むため、真空処理式よりもシステムが簡素化でき、小容量機器で採用される。
固定子水冷却方式
水は空気や水素と比較して熱容量、熱伝導率が大きく冷却効果が高いので、大容量のタービン発電機では、固定子（電機子巻線）水冷却方式が採用される。
タービン発電機の固定子巻線の水による直接冷却方式については以下のような特徴がある。
- 水による直接冷却方式を採用することの長所と短所
- 長所としては、同容量の発電機で固定子巻線を小形に製作することができるため、価格の低減や大容量化が可能となる。
- 短所としては、水質を保つための水処理装置や、水を固定子巻線に供給するためのポンプや配管などの設備が必要となる。
- 発電機に付属する機器と、固定子巻線を冷却するときの制御の対象となる物理量
- 付属する機器は、貯水槽、ポンプ、イオン交換樹脂、導電率計、冷却器、圧力調整弁、温度調整弁、冷却水入口圧力計、冷却水入口温度計などがある。
- 制御の対象となる物理量は、冷却水導電率、冷却水温度、冷却水圧力などがある。
- 発電機運転中に冷却水の循環が停止した場合の対応の概要
- 固定子巻線内の純水が沸騰し始めるまでの時間以内に、緊急的に出力を降下させるランバックを行う。それでも固定子巻線が許容温度以下にならない場合は、発電機をトリップさせる。若しくは、ランバックさせずに即時、発電機をトリップさせる場合もある。
ポンプの異常であって、予備がある場合はそちらに切り替える。
- 固定子巻線内の純水が沸騰し始めるまでの時間以内に、緊急的に出力を降下させるランバックを行う。それでも固定子巻線が許容温度以下にならない場合は、発電機をトリップさせる。若しくは、ランバックさせずに即時、発電機をトリップさせる場合もある。
発電方式による同期発電機の特徴
水車発電機の特徴
水力発電所に用いられる水車発電機は直結する水車の特性からその回転速度はおおむね100min-1～1200min-1とタービン発電機に比べ低速である。したがって、商用周波数50/60Hzを発生させるために磁極を多くとれる突極機を用い、大形機では据付面積が小さく落差を有効に使用できる立軸形用いられることが多い。タービン発電機に比べ、直径が大きく軸方向の長さが短い。
水車発電機は、電力系統の安定度の面及び負荷遮断時の速度変動を抑える点から発電機の経済設計以上のはずみ車効果を要求される場合が多く、回転子直径がより大きくなり、鉄心の鉄量が多い、いわゆる鉄機械となる。
鉄機械は、体格が大きく重量が重く高価になるが、短絡比が大きく、同期インピーダンスが小さくなり、電圧変動率が小さく、安定度が高く、線路充電容量が大きくなるといった利点をもつ。
近年の水力発電所の発電機には、定格で連続運転したときに許容できる最高温度として、耐熱クラス155（F）の電気絶縁システムが採用されている。これにより、耐熱クラス130(B)と比べて最高温度が高くできるため、巻線の電流密度を上げることができ、導体断面積を小さくできる。また、直列巻回数を増やし出力係数を大きくすることにより鉄心寸法を小さくできる。
その結果、発電機の小形化・軽量化が可能となり、建屋の小形化と、天井クレーンの吊り上げ荷重の減少化が図れる。また、発電効率は、負荷損の増加により全負荷時の効率は低下するが、無負荷損の減少で部分負荷時の効率は向上する。
タービン発電機の特徴
火力発電所に用いられるタービン発電機は原動機である蒸気タービンと直結し、回転速度が水車に比べ非常に高速なため2極機又は4極機が用いられ、大きな遠心力に耐えるように、直径が小さく軸方向に長い横軸形の円筒機を採用し、その回転子の軸及び鉄心は一体の鍛造軸材で作られる。
タービン発電機は、上述の構造のため界磁巻線を施す場所が制約され、大きな出力を得るためには電機子巻線の導体数が多い、すなわち銅量が多い、いわゆる銅機械となる。
電験３種過去問【2016年電力 問2】（水車発電機とタービン発電機の特徴）
ガバナ特性
速度調停率\(\displaystyle=\frac{\frac{n_2-n_1}{n_n}}{\frac{P_1-P_2}{P_n}}\)×100 [%]
\(\small{\begin{array}{cc} P_1:初期出力[MW] &n_1:出力P_1における回転速度[min^{-1}] \\ P_2:変化後の出力[MW] &n_2:変化後の出力P_2における回転速度[min^{-1}]\\ P_n:定格出力[MW] &n_n:定格回転速度[min^{-1}] \\ \end{array}}\)
発電機の定格回転速度nnは、
nn=\(\frac{120f_n}{p}\) [min⁻¹]
出力変化前の発電機の回転速度n₁は、
n₁=\(\frac{120f_1}{p}\) [min⁻¹]
また、出力変化後のタービン発電機の回転速度n₂は、
n₂=\(\frac{120f_2}{p}\) [min⁻¹]
ここで、fnは定格回転速度での周波数、f₁は変化前の回転速度での周波数、f₂は変化後の回転速度での周波数とする。
題意の上式に各回転速度代入すると、次式となる。
速度調停率\(\displaystyle=\frac{\frac{f_2-f_1}{f_n}}{\frac{P_1-P_2}{P_n}}\)×100 [%]