平成22年度 第一種 電気主任技術者二次試験 電力・管理
目次
問1 同期発電機の自己励磁現象
同期発電機の自己励磁現象について，次の問に答えよ。
- 自己励磁現象はどのような場合に発生する現象か，説明せよ。
- 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せよ。
- 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どれが最も自己励磁現象を起こしにくいか，その理由を付して答えよ。
- 上記3.に示した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よ。
1. 自己励磁現象（self-excitation）
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。
同期発電機に静電容量負荷を接続すると，電機子に端子電圧より 90 ° 進んだ進み電流が流れ，無負荷電圧より端子電圧が高くなる。
すなわち，発電機の磁気回路の残留磁束によってわずかな電圧が誘導されて，進み電流が流れ，これが磁化作用によってますます誘導電圧，したがって端子電圧を上昇させ，電圧をある値まで確立（buid up）して，自己励磁現象（self-excitation）が起こる。
2. 自己励磁現象によって発生する発電機端子電圧
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。
3. 自己励磁現象の起こしにくさ
大容量の水力発電機である。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，最大充電容量も大きくなり最も自己励磁現象を起こしにくい。
理由詳細
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。
\[ Q = \frac{v^2}{x_\text{d}} \]ここで，$v$ は充電電圧，$x_\text{d}$ は同期リアクタンス（不飽和値）である。
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なる。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。
4. 自己励磁現象を防止するための対策
- 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。 - 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。）
問2 代表的な調相設備
代表的な調相設備のうち電力用コンデンサ，同期調相機及び静止形無効電力補償装置（他励式 SVC）について，各装置の仕組み，調整方法，電圧調整や安定度への効果，電力損失及び保守性の観点から特色をそれぞれ述べよ。
電力用コンデンサ
- シンプルな静止機器で，高調波や突入電流を抑制するために直列リアクトルを接続することがある。
- 開閉器の開閉操作によって遅れ無効電力を発生（進み無効電力を補償）・停止する。
- 開閉器の開閉操作により調整するため，電圧や無効電力の変化が段階的となり，きめ細かな電圧調整や安定度の向上への期待はあまりできず，開閉器操作により系統に急激な変化が生じないよう1台当たりの容量選定に配慮が必要である。
- シンプルな構造であり，同期調相機やSVCよりも電力損失が小さい。
- 静止機器であるため保守が容易。
同期調相機
- 無負荷状態で運転する同期電動機。
- 界磁電流の調整により無効電力を発生・吸収（進み・遅れ双方を補償）する装置であり，電圧調整の即応性に優れる。
- 調整が連続的で，回転子の慣性質量により系統の電圧特性や安定度を向上させる効果がある。
- 回転機固有の軸受・ブラシの摩擦損や風損，励磁回路損などの影響により，電力用コンデンサやSVCに比べて電力損失が大きい。
- 回転機であることから，可動部分や補機類があり，電力用コンデンサやSVCに比べて保守に時間と労力が多くかかる。
静止型無効電力補償装置（SVC）
- リアクトル，電力用コンデンサ，これらを制御するサイリスタで構成する装置。
- サイリスタの点弧各位相を制御することによりリアクトルや電力用コンデンサの通過電流を連続的に変化させ，無効電力を発生・吸収（進み・遅れ双方を補償）する装置であり，電圧調整の即応性に優れる。
- リアクトルや電力用コンデンサ電流の大きさを変化させることにより連続的に調整できるため，系統の電圧特性や安定度を向上させる効果がある。
- リアクトル，電力用コンデンサ，サイリスタなど複数機器から構成されるため，電力損失は電力用コンデンサよりも大きいが，同期調相機よりも小さい。
- 静止機器ではあるが，サイリスタ冷却用の装置もあり，保守は電力用コンデンサほど容易ではない。
問3 地絡方向リレーを設置した送電系統
準備中
問4 電力系統と設備との協調
電力系統は，構成要素である送電線・変電機器などの設備が有機的に関係し合い，システム全体として，最適な機能を発揮するように設計する必要がある。このような電力系統と設備との協調（「システムコーディネーション」と呼ばれている）に関して，次の問に答えよ。
- 系統の大容量化・集中化により増大する短絡電流を抑制するために，変圧器の仕様及び変圧器の機器設計で考慮すべき事項を述べよ。
- 大都市に電力を供給するために275[kV]の大容量の電力ケーブルを使用した系統が導入されている。架空系統と異なり，地中系統に用いられる送電線用遮断器，リアクトル開閉用遮断器及び計器用変圧器についてそれぞれ考慮すべき事項を述べよ。
- 500kV送電線では，開閉過電圧が送電鉄塔の大きさを決める大きな要因である。この開閉過電圧を抑制するために，変電所の機器で採用している対策を述べよ。
変圧器の仕様及び変圧器の機器設計で考慮すべき事項
変圧器の仕様
短絡電流を抑制するために，変圧器のインピーダンスを大きく設定する。変圧器のインピーダンスを大きくすれば，電圧変動率が大きくなり，系統安定度が悪くなる方向にいくので，システムコーディネーションの観点から，系統と機器のバランスを考え，変圧器のインピーダンス値を選定している。例えば，500 kV 変圧器で一般的なインピーダンスが 14 [%] に対して，高インピーダンスでは 23 [%] が用いられることが多い。
変圧器の機器設計
高いインピーダンスにするために，巻回数の増大，巻線径増大が行われる。
地中系統に用いられる機器で考慮すべき事項
地中送電線用遮断器
地中送電線路では，充電遮断電流の値が架空送電線路より大きいため，進み小電流遮断電流値として，架空送電線路より大きな値が必要である。例えば，275 kV 系統では，充電遮断電流は，架空送電線用では 200 [A] に対して，地中送電線用では 500 [A] が規格化されている。
リアクトル用開閉遮断器
275 [kV] ではケーブルの充電容量が大きいため，それを補償するためにリアクトルが設置されることが多い。リアクトル開閉用遮断器には，再発弧サージへの考慮が必要である。その抑制対策として，開極位相制御が採用されている。
計器用変圧器
ケーブル系統では残留電荷の減衰時定数が長いため，計器用変圧器によって残留電荷を放電する機能が求められる。
開閉過電圧を抑制対策（変電所の機器）
送電線に発生する開閉過電圧を抑制するため，500 kV 変電所に設置される送電線用の遮断器に，抵抗投入方式を採用している。投入抵抗値は 1 000 [Ω] が用いられ，開閉過電圧は 2 [p.u.] 以下に抑制されている。最近では，変電所の送電線回路に高性能避雷器を併用する場合も多く，より効果的に送電線に発生する開閉過電圧の抑制が行われている。
- 雷過電圧解析・開閉過電圧解析の概要と解析例「開閉サージ」
問5 電力系統の負荷周波数制御方式
次の文章は，電力系統の負荷周波数制御方式に関する記述である。
定周波数制御（FFC : flat frequency control）
- 系統周波数を検出する方式である。
- 系統周波数の規定値からの偏差を零にするよう自系統の発電電力で制御する方式である。
- 単独系統，又は連系系統内の主要系統で採用されている。
定連系線電力制御（FTC : flat tie line power control）
- 連系線電力を検出する方式である。
- 連系線電力の規定値からの偏差を零にするよう自系統の発電電力を制御する方式である。
- 連系系統内の小系統側が主要系統との連系線電力を制御する場合に適している。
周波数バイアス連系線電力制御（TBC : tie line bias control）
- 周波数と連系線電力を検出する方式である。
- 系統周波数の規定値からの偏差にバイアス値を乗じた値と，連系線電力の規定値からの偏差の和（差）を零にするよう自系統の発電電力を制御する方式である。
- 連系系統内の各系統が，それぞれ自系統で生じた負荷変動（需給不均衡）を，自系統で処理することを基本としている。
問6 系統の末端電圧及び負荷の無効電力
準備中