平成20年度 第一種 電気主任技術者二次試験 電力・管理

2022年11月6日更新

目次

  1. 汽力発電所の系統並列運転
  2. 変電機器の耐雷設計
  3. 逆電力リレー
  4. π 形等価回路
  5. 速度調定率
  6. 電源の開発

問1 汽力発電所の系統並列運転

汽力発電所(コンバインドサイクル発電所を除く。)が系統並列運転中に,次の 1. ~ 3. の事象が発生した際に考えられる発電所設備への影響について,それぞれ二つ挙げ,その理由を述べよ。

  1. 系統周波数が,異常に低下した場合
  2. 系統周波数が,異常に上昇した場合
  3. 異常な進相運転が行われた場合

系統周波数が,異常に低下した場合

低圧タービン動翼の共振(振動,損傷)

タービン動翼の固有振動数は共振を避けるため,定格周波数の整数倍からずれるように設計されているが,低周波数運転を行うと,翼長の長い低圧タービン動翼の固有振動数と運転周波数の整数倍とが一致して共振現象を起こし,動翼に過大な応力を与える。その疲労が蓄積するとクラックが発生し,最悪の場合,翼の折損に至る。

発電機・変圧器の過励磁による鉄心等の過熱

発電機や変圧器の鉄心磁束密度は電圧/周波数(V/Hz)の値に左右される。周波数が低下すると電圧/周波数(V/Hz)の値が大きくなり,励磁電流が増加し磁束密度が増えるため,鉄心内では鉄損が増加し過熱する。また,磁気飽和の程度が過度になると鉄心から近接する導体構造物への漏えい磁束が増加し,うず電流による過熱が発生する。

発電機出力の上昇

タービン調速機は,速度調定率に基づいた出力となるよう,蒸気弁(CV)開度を制御している。周波数が異常に低下した場合,速度調定率に応じて蒸気弁(CV)は大きく開方向に動作し,その結果,発電機出力が上昇する。

発電機機内冷却能力の低下

回転子に取り付けられている冷却ファンの回転速度低下により冷却能力が低下し,機内温度の上昇や局部過熱を引き起こす。

潤滑油等の油圧低下

タービン軸に直結した主油ポンプの回転数が低下して油圧低下を引き起こすと,軸受の油膜切れによる軸受損傷を引き起こす。また,タービン軸に直結した主油ポンプで制御油も供給している場合は,制御油圧低下によりユニットトリップに至ることもある。

補機能力の低下

循環水ポンプなどの補機類は,誘導電動機により駆動されているため,周波数低下によって回転数が低下し,流量・圧力が低下する。

動翼の共振や補記類の出力低下に対し,連続運転が許容されるのは1~1.5[Hz]程度の低下までである。さらに低周波の運転が継続される場合は,タービンの損傷防止のためにユニットをトリップさせることが行われている。

系統周波数が,異常に上昇した場合

低圧タービン動翼の共振(振動,損傷)

タービン動翼の固有振動数は共振を避けるため,定格周波数の整数倍からずれるように設計されているが,周波数が異常に上昇した状態で運転を行うと,翼長の長い低圧タービン動翼の固有振動数と運転周波数の整数倍とが一致して共振現象を起こし,動翼に過大な応力を与える。その疲労が蓄積するとクラックが発生し,最悪の場合,翼の折損に至る。

発電機出力の低下

タービン調速機は,速度調定率に基づいた出力となるよう,蒸気弁(CV)開度を制御している。周波数が異常に上昇した場合,速度調定率に応じて蒸気弁(CV)は大きく閉方向へ動作し,その結果,発電機出力が低下する。

タービン車軸・車室などの熱応力の発生

周波数の上昇に伴い,タービン調速機の速度調定率に応じて蒸気弁(CV)が絞られるため,絞り損失により主蒸気温度が急速に低下し,車室や車軸などに熱応力を生じる。

主蒸気圧力の上昇(プラント制御の乱調)

周波数の上昇に伴い,タービン調速機の速度調定率に応じて蒸気弁(CV)が絞られるため,主蒸気流量が減少する。蒸気流量の減少が急激な場合,あるいは主蒸気流量の減少に対応する燃料流量の絞り込みが十分でない場合は主蒸気圧力が過上昇し,ボイラトリップに至る場合がある。

異常な進相運転が行われた場合

固定子鉄心端部の過熱

電機子反作用による端部漏れ磁束は鉄心端から外部に向かい,回転子保持環を通ってまた鉄心に戻る。進相運転時は電機子反作用漏れ磁束は多くなる。この磁束は,回転子に対しては静止しているが,固定子に対しては同期速度で回転しているため,固定子鉄心端部及び固定子端部構造物に渦電流損やヒステリシス損が発生し,過熱を引き起こす。

安定度の低下

進相運転時は,低励磁によって発電機内部誘起電圧が低下し,発電機と系統間の電圧相差角が増加し,定態安定度が低下する。なお,自動電圧調整装置(AVR)を使用していれば安定運転領域が拡大され,安定度は向上する。

所内電圧の低下による補機能力の低下

進相運転を行うと,発電機端子電圧が低下するため,所内の母線電圧も低下する。所内母線には多くの補機用電動機がつながっており,電圧が低下するとトルク不足により,流量・圧力が低下する。なお,流量・圧力制御されている補機については,流量・圧力を規定値に維持するため,電動機の電流が増えて電動機の過熱を引き起こす場合がある。

問2 変電機器の耐震設計

変電所の耐震設計については,現在,「JESC E 001(1999)/JEAG 5003-1999 変電所等における電気設備の耐震設計指針」が標準的に採用されている。

本指針に基づく変電機器の耐震設計(標準地盤)について,次の問に答えよ。

  1. 耐震設計手法には動的設計手法と静的設計手法の二つがある。従来広く用いられてきた静的設計手法に加えて,動的設計手法が採用されている理由を説明せよ。
  2. 屋外用がいし形機器(屋外に設置される開閉装置,計器用変成器及び電力用ケーブルヘッド)の耐震設計に関して,設計手法,設計地震力を説明せよ。
  3. 154[kV]以上の屋外変圧器の耐震設計に関して,変圧器本体とブッシングについて,それぞれ設計手法,設計地震力を説明せよ。

動的設計手法が採用されている理由

がいし類を多く使用するがいし形機器や変圧器ブッシングは地震に共振する可能性があり,地震に対する動的応答の方が静的水平加速度 5 [m/s²](0.5 G)よりも厳しい場合が多く,また,過去の地震による被害も静的設計手法により設計されたがいし形機器及び変圧器ブッシングに集中している。したがって,これらの機器を対象に動的設計手法が採用されている。

屋外用がいし形機器の耐震設計に関する設計手法,設計地震力

設計手法は,擬共振法による動的手法を採用する。

設計地震力の水平加速度は 3 [m/s²],波形は共振正弦 3 波,印加点は架台下端とする。ただし,機器の固有振動数が 0.5 [Hz] を下回るとき,または 10 [Hz] を上回るときは,設計波形の振動数をそれぞれ 0.5 [Hz],10 [Hz] とする。

154 [kV] 以上の屋外変圧器の耐震設計に関する,変圧器本体とブッシングの設計手法,設計地震力

変圧器本体については,静的設計手法を採用する。設計地震力としては,静的水平加速度が 5 [m/s²] である。

ブッシング部分については,擬共振法による動的設計手法を採用する。設計地震力の水平加速度は 3 [m/s²],波形は共振正弦 3 波,印加点は架台下端とする。ただし,機器の固有振動数が 0.5 [Hz] を下回るとき,または 10 [Hz] を上回るときは,設計波形の振動数をそれぞれ 0.5 [Hz],10 [Hz] とする。

変電機器の耐震設計は,機器の構造と地震応答により,動的設計を行うものと静的設計を行うものとに区分される。地震動と構造上で共振する可能性のある機器は擬共振法による動的設計を採用し,標準地盤(地震波のうち横波の進行波速度が 150 [m/s] 以上または N 値が 5 以上の地盤)において次の条件に耐える設計とすることが推奨されている。

問3 逆電力リレー

準備中

問4 π 形等価回路

準備中

問5 速度調定率

準備中

問6 電源の開発

電力需要に対応する供給力は,国のエネルギー政策として,従来から石油代替エネルギーの開発・導入を推進し多様化を図ってきた。しかし,石油・天然ガスを始めとするエネルギー資源の大部分を海外に依存していること,そして気候変動問題を始めとする環境問題への対応が重要な課題となっていることを踏まえれば,供給力ごとに供給安定性,環境適合性,経済性等を評価し,その開発を着実に推進していくことが必要である。

次の供給力は,石油代替エネルギーの一部を使用した発電方式であるが,それぞれについてその特徴及び技術的な課題を述べよ。

  1. 一般水力による発電
  2. 石炭燃料による火力発電
  3. 太陽光,風力,バイオマスの新エネルギーによる発電

一般水力による発電

自然エネルギーであるために自然条件に左右される面はあるが,海外に依存する必要のない純国産エネルギーという供給安定性,発電時に二酸化炭素(CO2)や硫黄酸化物(SOx)等を発生しない環境適合性,燃料を使用しない発電コスト安定性という経済性の特徴がある。

既に一般水力の開発が相当進んでいるため,今後の開発は立地地点の奥地化や小規模化となり,開発コストの上昇が見込まれるため,低落差や小流量に適応した技術の向上が課題である。

石炭燃料による火力発電

石炭は,他の燃料と比較して価格面で有利であるが,硫黄分を多く含むためSOxやNOxの排出が多く,さらにばいじんやCO2などの排出も多いので,環境保全上の問題が大きい。ただし,賦存量や賦存広さを考慮すると,供給安定度が非常に高く,また経済性の優位さからも,中核的な石油代替エネルギーである。

石炭は,他の化石燃料に比し,燃焼過程における単位熱量当たりの二酸化炭素排出量が大きいこと等,環境への適合を図る観点から課題を抱えている。このための対策技術が必要であり,燃料自体のガス化によるクリーン化,超臨界圧採用による高効率発電,ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせて発電する石炭ガス化複合発電(IGCC)等のより効率の高い発電利用技術の開発・導入が課題である。

太陽光,風力,バイオマスの新エネルギーによる発電

新エネルギーのうち,太陽光,風力,バイオマスの再生可能エネルギーは,地域におけるエネルギー自給率の向上,地球温暖化対策に資するほか,分散形エネルギーシステムとしてのメリットや国民がエネルギー供給に参加する機会を与えることもできる貴重なエネルギーである。

当該新エネルギーは,エネルギー密度が一般的には小さく,現時点ではエネルギー変換効率や設備利用率など,競合するエネルギーと比較して,出力の不安定性や高コスト,電力品質の確保等の課題を抱えている。このため,コスト低減や系統安定化,性能向上等の技術開発が課題である。

内外の経済的社会的環境に応じたエネルギーの安定的かつ適切な供給の確保に資するため,電気事業者による新エネルギー等の利用に関する必要な措置を講ずることとし,もって環境の保全に寄与し,及び国民経済の健全な発展に資することを目的とした法律「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法」で定められた新エネルギーに関する問題です。

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