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発電機一般の学習帳

2022年5月19日

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、

  1. 調整速度が速いこと
  2. 偏差が少なく、感度が大きく、連続制御可能であること
  3. 摩耗部や接触部が極力なく、点検保守が容易であること

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。

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)

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%)ため風損が小さい(空気の10%程度)。
水素ガスは、不活性であるため、絶縁物への劣化影響が少ない。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、これ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。
過去問題:
電験3種過去問【2018年電力 問1】(発電機の水素冷却方式)
電験3種過去問【2009年電力 問2】(発電機の水素冷却方式)

密封油装置

過去問題:電験2種過去問【2020年電力 問1】(連続掃気式について)

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0.05MPa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。

    真空処理式(単流式)
  • 複流式
    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。

    真空処理式(複流式)
  • 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。

    連続掃気式(単流式)

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)

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。