平成17年度 第一種 電気主任技術者二次試験 電力・管理
目次
問1 タービン発電機の界磁喪失
タービン発電機の界磁喪失に関する次の事項について説明せよ。
- 界磁喪失が発生する主な原因
- 界磁喪失時に発電機及び系統に与える影響
- 界磁喪失保護に用いられるリレーの種類と検出原理
1. 界磁喪失が発生する主な原因
タービン発電機における界磁喪失の原因は，次のようなものがある。
- 界磁遮断器の開放
- 励磁機の事故
- ブラシ接触部の事故
- 界磁回路の短絡，2 線接地あるいは断線
2. 界磁喪失時に発電機及び系統に与える影響
2-1. 発電機に与える影響
タービン発電機の運転中に，何らかの原因で界磁電圧が異常に低下したり，完全に失われた場合，発電機の電気的出力が減少して回転数は上昇し，無効電力が減少して進相運転となり，端子電圧も上昇する。
この状態を継続すると発電機は誘導発電機となり，タービン発電機には円筒形回転子が使われていることから，回転子に生じる誘導電流は回転子鉄心及びくさびを流れ急速に過熱するおそれがある。また，固定子巻線には系統から過大な無効電流が流れ込み固定子巻線が過熱する。
2-2. 系統に与える影響
系統からみると，無効電力が減少することで系統電圧の低下となり，系統の安定度が急速に低下し，小さな系統では電源脱落や負荷遮断に至る可能性もでてくる。したがって，タービン発電機が界磁喪失に至った場合には，すみやかに発電機を系統から切り離す必要がある。
3. 界磁喪失保護に用いられるリレーの種類と検出原理
界磁喪失の保護には距離リレーを用いる。発電機端子電圧を電流で除したものが距離リレーのみるインピーダンスであり，発電機が界磁喪失を生じると，このインピーダンス軌跡は発電機の直軸同期リアクタンス $X_\text{d}$ と直軸過渡リアクタンス $X'_\text{d}$ の 1/2 とを直径とする円の中に入ることになり，これを検出する。
問2 GIS（SF6ガス絶縁開閉装置）の診断技術
超高圧など重要変電所に使用される GIS（SF6ガス絶縁開閉装置）の次の項目の診断技術について，その概要を述べよ。
- GIS の絶縁部と導通部
- SF6 ガス遮断器の主回路部と機構部
1-1. GIS の絶縁部
絶縁部の異常は部分放電を伴うことから，部分放電の検出技術が主体となるが，そのほか部分放電や異物の運動により生じるタンクの機械的振動を測定する振動加速度計法，外被電極法，タンクフランジ絶縁部に発生する電位差を測定するフランジ間電位差法，部分放電光をタンク内に内蔵した特殊な光ファイバで測定する蛍光ファイバ法などが開発されている。
UHF 法による部分放電診断
UHF 法（Ultra High Frequency）は，感度・SN 比の点で優れていることが国際的に認知され，近年急速に GIS へ積極的に適用され始めた方法である。この方法は，部分放電の放射する UHF 帯の電磁波をタンク内蔵または外付きのプローブで検出し，周波数分析して診断するもので，タンク内に UHF センサを内蔵，タンク外に増幅器，スペクトラムアナライザ，診断部を設けている。なお，UHF センサには，外付けタイプのものもある。
絶縁スペーサ法による部分放電診断
スペース埋込アンテナ法といい，部分放電の放射 数十 MHz の電磁波をスペーサと一体注形した内部電極で検出し，絶縁診断するものである。
AE 法による部分放電測定
AE 法（Acousticc Emission）は，異物のタンクへの衝突および部分放電により発生する微弱なタンク振動をタンク外表面に密着固定した AE センサで検出し，絶縁診断するものである。
分解ガスセンサによる部分放電診断
分解ガスセンサによる方法は，部分放電により生成される HF をガス配管部に取り付けた検出電極で H と F に分解し，F- の固体電解質をドリフトさせ，電流として測定し，絶縁診断するものである。
1-2. GIS の導通部
接触不良により接触抵抗の増大とジュール熱が発生し過熱，溶損，発弧を経て事故に至る。接触部の温度に対応して振動，温度上昇，圧力上昇，放電および分解ガスが発生する。これら諸量の測定により異常を検出するものである。さらに，X 線透視により接触状態を画像化する技術も開発・実用化されている。
2. SF6 ガス遮断器の主回路部と機構部
主回路部の開閉機能は，主接点と連動する補助接点の開閉時間，ストローク特性，制御電流波形などの変化から診断されている。遮断器の接点消耗量は遮断電流と開閉特性とを組み合わせた累積遮断電流モニタなどにより診断される。
開閉時間による診断
引外しコイルや投入コイルに流れる電流を CT で測定し，その通電時間から動作時間や入－切の開閉時間を測定するものである。GCB の制御信号の ON，OFF 時間をカウントし，整定時間と比較することにより異常を検出する。
ストローク特性による診断
光エンコーダにより光学的にストローク特性，開閉速度，開極時間，閉極時間，接触子位置を測定し，異常診断するものである。光エンコーダを操作ロッドに連結された操作機構部に取り付ける。
投入・引外し電流波形による診断
引外し回路に CT を設けて投入コイルと引外しコイル電流を測定し，電流波形から操作機構部の異常を検知するもので，コイル電流と時間（時間特性）から制御機構の解離速さを，電流からコイルの直流抵抗を知ることができる。
接点，消耗量による診断
CT で計測した遮断電流と引外しコイル電流からの動作情報を用い，遮断器の累積遮断電流を求め，接点消耗量を演算するものである。
接触子消耗量 $V$ は，次式で求められる。
\[ V = \alpha \cdot I^{\beta} \cdot t \]ただし，$I$ は遮断電流，$t$ はアーク時間，$\alpha$ と $\beta$ は材料で決まる定数である。
操作器の蓄勢エネルギーによる診断
ばね操作，油圧操作，空気操作それぞれで，次表のように蓄勢エネルギーによる診断を行う。
| 操作方式 | 診断方法 |
|---|---|
| ばね操作 | ばねのラッチの位置センサやモータの動作時間，電圧，電流を測定 |
| 油圧操作 | 油圧，窒素ガス圧を測定，あるいは，ピストン，ばね，バルブの位置を測定 |
| 空気操作 | 空気圧を測定 |
モータの状態による診断
モータの電圧・電流・温度を測定する。油圧用のモータの場合は，運転時間，動作時間，運転間隔を運転用コンタクトにより測定する。
問3 地絡を生じた場合の地絡電流の大きさ及び故障点における対地電圧の大きさ
図のようなこう長 100 [km] の三相 3 線式 1 回線の送電線路があり，送電端及び受電端の変圧器の中性点がそれぞれ 400 [Ω] の抵抗で接地されている。その 1 線（a 相）が送電線路の中間点で 100 [Ω] の抵抗を通じて地絡を生じた場合の地絡電流の大きさ及び故障点における c 相の対地電圧の大きさを次の (1) から (3) の順序で求めよ。ただし，故障点における故障直前の線間電圧を 154 [kV]，送電線路の正相リアクタンス及び逆相リアクタンスを 0.0506 [%/km]，零相リアクタンスを 0.118 [%/km]，各変圧器のリアクタンスをいずれも 7.59 [%]（基準電圧 154 [kV]，基準容量 100 [MV·A]），その他の明記されていないインピーダンスは無視するものとし，また，変圧器の Δ 巻線側の電圧は一定に維持されているものとする。
(1) 地絡電流 $\dot{I}_a$ と故障点における c 点の対地電圧 $\dot{V}_c$ を，a 相の事故直前の対地電圧 $\dot{E}_a$，故障抵抗 $R$，故障点から見た送電線路の零相，正相，逆相のインピーダンス $\dot{Z}_0$，$\dot{Z}_1$，$\dot{Z}_2$ および $\displaystyle a(=e^{j 2\pi/3})$ を用いて表せ（導出過程も示すこと）。
(2) $\dot{Z}_0$ [Ω]，$\dot{Z}_1$ [Ω]，$\dot{Z}_2$ [Ω] の値及び $\dot{E}_a$ [kV] の大きさを求めよ。
(3) 地絡電流 $\dot{I}_a$ [A] の大きさと故障点における c 相の対地電圧 $\dot{V}_c$ [kV] の大きさを求めよ。
準備中
問4 電圧調整器が設置された配電線路
図に示すように，電圧調整器が送電端から距離 $a$ の地点に設置され，末端に負荷群が接続された全長 1 の配電線路について，次の問に答えよ。
ただし，計算に用いる記号はすべて単位法表示を用いることとし，その他の明記されていないインピーダンスは無視するものとする。
| 記号 | 説明 |
|---|---|
| $\dot{V}_s$ | 送電端電圧 |
| $\dot{V}_r$ | 受電端電圧 |
| $P_r$ | 負荷群の有効電力 |
| $Q_r$ | 負荷群の無効電力 |
| $\dot{I}$ | 電圧調整器二次側の線電流 |
| $X$ | 線路全長のリアクタンス |
| $X_T$ | 電圧調整器の内部リアクタンス（一次側からみた値） |
| $a$ | 送電端から電圧調整器設置位置までの距離（$0 \le a \le 1$） |
| $n$ | 電圧調整器の変圧比（一次電圧：二次電圧 = 1 : $n$，$0.9 \le n \le 1.1$） |
(1) この配電系統を電圧調整器の二次側に換算した等価回路を $\dot{V}_s$，$\dot{V}_r$，$P_r$，$Q_r$，$X$，$X_T$，a，n を用いて描け。なお，等価回路には等価送電端電圧，等価受電端電圧，等価リアクタンス等を記入すること。
(2) 上記 (1) の等価回路から，$\dot{V}_s$ の式を，$\dot{V}_r$，$P_r$，$Q_r$，$X$，$X_T$，$a$，$n$ を用いて表せ。
(3) 最大負荷時に次の $n$ が最大になるような電圧調整器の設置位置 $a$ の値を求めよ。ただし，電圧調整器の内部リアクタンス $X_T$ は無視するものとする。なお，本設問に限り有効数字 2 桁で答えること。
- 負荷群の最大有効電力 = 0.2
- 負荷群の力率 = 1
- 送電端電圧 $V_s$ = 受電端電圧 $V_r$ = 1
- 線路全長のリアクタンス $X=2.0$
準備中
問5 使用前自主検査
次の表は，使用電圧が 170 [kV] 以上の発変電所で実施される使用前自主検査のうち一部の測定・試験項目について，実施する上での注意事項の概要を記述したものである。
| 測定・試験項目 | 実施する上での注意事項 |
|---|---|
| 電圧降下法による接地抵抗測定 |
|
| 絶縁抵抗測定 |
|
| 電力用変圧器の電路の絶縁耐力試験 |
|
| 機械器具等（電力用変圧器を除く。）の電路の絶縁耐力試験 |
電力用変圧器の電路の絶縁耐力試験を実施する上での注意事項の他にも次の項目にも注意する。
|
問6 超速応励磁装置
近年，大型発電機を中心として，励磁系の制御方式に超速応励磁装置が採用されている。これについて，次の項目を簡潔に説明せよ。
- 超速応励磁装置の目的及び機能
- 超速応励磁装置を採用した場合に，系統安定化装置（PSS：Power System Stabilizer）を併せて設置する理由
- PSS の機能
1. 超速応励磁装置の目的及び機能
送電線に地絡事故などが発生すると，発電機が加速しはじめ，場合によっては脱調に至ることがある。超速応励磁装置は，このような系統事故時の発電機端子電圧の低下を迅速にとらえて，界磁電流を増加させることにより発電機の背後電圧を上げ，電気出力を増加させて脱調を防止するものである。
発電機には界磁電流を制御し，発電機端子電圧を自動的に調整する AVR 等が設置されている。一般に超速応励磁制御装置とは，励磁機にサイリスタを用い，その応答性が数十 ms 以下ときわめて高速で，かつ励磁頂上電圧（励磁装置の出し得る最大の界磁電圧）を定格運転中の約 7 倍と高くし，高速励磁制御できるようにした装置をいう。
系統の事故発生後に発電機の界磁電流を高速に増加させ，その内部誘起電圧を急速に持ち上げ，送電電力を高め，発電機の加速エネルギーを抑えることにより，事故除去後の動揺第 1 波目の発電機相差角拡大の抑制，すなわち，過渡安定度を高めることができる。
2.超速応励磁装置を採用した場合に，系統安定化装置（PSS）を併せて設置する理由
超速応励磁は，過渡安定度対策としてはきわめて有効であるが，系統操作などの微小な外乱に伴う動揺や，系統事故除去後，いったん過渡安定度が維持されたのちに残る動揺に対しては，反対にダンピングを弱める作用をする。
このための対策として，超速応励磁方式に系統安定化装置（PSS）を併せて設置する。
3. PSS の機能
PSS は，発電機に付加するフィルタと位相補償回路からなる系統動揺安定化制御装置で，発電機出力変化・周波数変化のいずれかを入力信号とし，出力信号を自動電圧調整装置（AVR）に加えて，発電機の制動トルクを増加させる効果がある。
つまり，PSSは，発電機の同様を代表する信号（$\Delta P$，$\Delta \omega$，$\Delta f$ など）を検出し，この信号のゲイン，位相を適当に調整して AVR の発電端子電圧偏差検出回路への補助信号として加えることにより，AVR，界磁回路を介して内部誘起電圧を制御してダンピングを改善する機能を有している。
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