平成26年度 第1種 電力

2022年6月26日更新

目次

  1. 火力発電所における水素冷却発電機
  2. 変圧器の耐電圧試験
  3. 電力系統安定化装置(PSS)
  4. 高圧地中配電系統
  5. 水力発電所の水車・発電機の起動と故障停止における標準的な自動制御シーケンス
  6. 変圧器の保護

問1 火力発電所における水素冷却発電機

水素冷却発電機において,横軸に有効電力,縦軸に無効電力をとり定常運転を行う範囲を表したものを可能出力曲線(発電機容量特性曲線)という。

可能出力曲線(発電機容量特性曲線)の一例を図に示す。図中,曲線①において,A-B 部は界磁電流,B-C 部は電機子電流,C-D 部は固定子鉄心端部温度によりそれぞれ制限される。

また,曲線② は曲線① に比べて,発電機の水素ガスの圧力が低い状態における定常運転範囲を表している。

可能出力曲線(発電機容量特性曲線)
可能出力曲線(発電機容量特性曲線)

参考文献

問2 変圧器の耐電圧試験

変圧器の耐電圧試験は,短時間交流耐電圧試験,長時間交流耐電圧試験,雷インパルス耐電圧試験の 3 種に区分される。

短時間交流耐電圧試験は,所定の商用周波交流試験電圧を 1 分間程度印加し,絶縁破壊を生じることなく耐えることを確認する試験である。

長時間交流耐電圧試験は,有効接地系統に接続される段絶縁巻線の運転期間中の常規対地電圧と短時間過電圧に対する絶縁強度を検証することを目的とする。商用周波交流試験電圧を規定の時間印加し,部分放電を測定することにより,短時間交流耐電圧試験より低い印加電圧で,前駆的な段階での絶縁検証が可能である。550 kV 変圧器では,

475 kV × 5 分 ~ 635 kV × t 秒 ~ 475 kV × 1 時間

と規定されている。ただし,t = (120 × 定格周波数) / (試験時の周波数) [秒] (注)である。

雷インパルス耐電圧試験は,主に雷サージに対する絶縁強度を検証することを目的とする。全波試験電圧波形は,標準雷インパルス電圧波形 1.2/50 μs を用い,通常正負両極性において各 3 回ずつ印加を行う。550 kV 変圧器では,1 300 kV と 1 550 kV の値が規定されている。

(注)試験時の周波数が定格周波数の 2 倍以下の場合は,1 分とし,2 倍を超える場合に適用する。ただし,最短 15 秒とする。

長時間交流耐電圧の試験電圧と試験時間は,下表の通り。

長時間交流耐電圧の試験電圧と試験時間
公称電圧 [kV] 試験電圧 [kV]
5 分 t = (120 × 定格周波数) / (試験時の周波数) [秒] 1 時間
187 170 225 170
220 200 265 200
275 250 330 250
500 475 635 475

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問3 電力系統安定化装置(PSS)

電力系統安定化装置(PSS)は,発電機の自動電圧調整装置に付加する同期安定度を改善するための補助信号を発生する装置である。PSS は一般的には発電機出力変化,軸回転速度変化又は周波数変化のいずれかを入力信号とし,フィルタと位相補償回路からなる制御装置で,出力信号を自動電圧調整装置に加えて,発電機の制動トルクを増加させる効果がある。

電力系統安定化装置(PSS)を下図に示す。

電力系統安定化装置(PSS)
電力系統安定化装置(PSS)

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問4 高圧地中配電系統

高圧地中配電系統には,配電用変圧器の引出口,過密都市部,電車線路や幹線道路横断箇所など架空電線路では設備が輻輳し,施設することが技術的に困難な箇所に施設するものや,都市機能,景観上の観点から施設するものなどがある。

長所として,同一ルートにケーブルを多回線施設することができること,暴風など気象条件の影響を受けにくく,また,クレーンや飛来物による接触がなく供給信頼度が高いことなどがある反面,架空電線路に比べ建設費が高いこと,事故復旧に時間を要すること,対地静電容量の増加により深夜などに電圧上昇が発生するおそれがあることなどの短所がある。

変圧器や開閉器などの機器の設置方法としては,地上設置形と地下設置形がある。地下設置形の場合は機器への自動車衝突回避や景観面で有利であるが,熱放散の面から機器が大きくなるばかりでなく,防水性,防性等の設備設計・施工面に留意する必要がある。

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問5 水力発電所の水車・発電機の起動と故障停止における標準的な自動制御シーケンス

水車・発電機の起動操作を開始すると,まず起動条件の成立を確認し,補機類が動作して準備完了となる。次に入口弁が全開となり,続いてガイドベーンが起動開度まで開き,水流によって水車が起動する。その後回転数が定格の約 8 割に達すると界磁遮断器が閉となり発電機電圧が発生する。

次に定格の 8 割以上の電圧確立を確認すると自動電圧調整装置が動作する。続いて自動同期装置が動作し,この装置の速度調整機能により周波数の平衡を図るとともに,電圧調整機能により電圧の平衡を図る。その後同期検出機能により,同期点を検出すると,並列用遮断器が閉となり,発電機を系統に並列する。

故障停止制御については,系統への影響や発電所設備への負担を最小にするための停止方法として故障の種類に応じ,緩停止,非常停止及び急停止の三種類がある。

緩停止は水車・発電機の停止を必要とする軽度の故障が生じたときに適用され,普通停止と同様の制御で停止させる。

非常停止は発電所内に重大な電気的故障が生じたときに適用され,電気・機械装置を同時に制御し,速やかに停止させる。

急停止は発電所内に重大な機械的故障が生じたときに適用され,水車・発電機の回転速度を上昇させないよう制御し,速やかに停止させる。

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問6 変圧器の保護

変圧器内部に事故が発生すると,故障電流アークによりガスが発生し,タンク内圧上昇のためにタンクが破損,破損したタンクから噴出した絶縁油の引火による火災を招くおそれがある。そのため,事故を高速に検出し変圧器を系統より切り離す必要がある。

変圧器事故のうち巻線間短絡は,通常の過電流リレーや地絡リレーでの検出が困難である。そのため,変圧器保護に適用される電気式のリレーには一次側と二次側の電流の差から事故を検出する差動リレー方式が用いられることが多い。

差動リレー方式では,変圧器外部短絡事故が発生した際に誤差電流が生じ誤動作するおそれがある。そのため,図 1 に示すような特性をもたせた比率差動リレーを用いることが多い。また,差動リレー方式の差動回路には励磁電流に対応した電流が流れ,誤差の原因となる。定時はこの電流は小さいが,変圧器を投入した際には比較的大きな零時突入電流が流れることがある。この電流による誤動作を防止する方法の一つとして,高調波電流を検出した際にリレーの出力をロックする方式や励磁突入電流が流れる期間,感度を低下させる方式などがある。

差動リレー方式の特性
差動リレー方式の特性

図中の $I_d$ は一次側電流と二次側電流のベクトル和の大きさを表しており, $I_r$ は一次側電流と二次側電流のスカラ和を表している。

参考文献

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