《電力・管理》〈火力〉[R04:問1]火力発電所におけるタービン発電機の進相運転に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

火力発電所におけるタービン発電機の進相運転に関して，次の問に答えよ。

(1)　進相運転を実施する目的を\( \ 100 \ \)字程度で答えよ。

(2)　進相運転時の留意点を三つ挙げ，合わせて\( \ 100 \ \)字程度で答えよ。

(3)　小問(2)の留意点に対する発電所における対策を二つ挙げ，合わせて\( \ 100 \ \)字程度で答えよ。

【ワンポイント解説】

火力発電所での進相運転に関する問題です。
進相運転に関しては系統負荷の重負荷時と軽負荷時の特性の違い，定態安定度のメカニズム等総合的な知識が必要となります。
それぞれ忘れてしまった方は\( \ 2 \ \)種のテキスト等で復習するようにして下さい。

1.送電端電圧と受電端電圧の関係
送電端電圧\( \ {\dot V}_{\mathrm {s}} \ \)，受電端電圧\( \ {\dot V}_{\mathrm {r}} \ \)，負荷電流\( \ \dot I \ \)，送電線の抵抗\( \ R \ \)，送電線のリアクタンス\( \ X \ \)とすると，遅れ負荷，進み負荷に電力を供給するときのベクトル図は図1のようになります。
これより，受電端電圧\( \ {\dot V}_{\mathrm {r}} \ \)が等しいときには，送電端電圧\( \ {\dot V}_{\mathrm {s}} \ \)は進み負荷の方が小さくなることがわかります。

2.定態安定度のメカニズム
送電端電圧を\( \ V_{\mathrm {s}} \ \mathrm {[V]} \ \)，受電端電圧を\( \ V_{\mathrm {r}} \ \mathrm {[V]} \ \)，送電線のリアクタンスを\( \ X \ [\Omega ] \ \)，\( \ V_{\mathrm {s}} \ \)と\( \ V_{\mathrm {r}} \ \)の負荷角を\( \ \delta \ \mathrm {[rad]} \ \)とすると，送電電力\( \ P \ \mathrm {[W]} \ \)は，
\[
\begin{eqnarray}
P&=&\frac {V_{\mathrm {s}}V_{\mathrm {r}}}{X}\sin \delta \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] で表され，同期化力\( \ \displaystyle \frac {\mathrm {d}P}{\mathrm {d}\delta } \ \)は，
\[
\begin{eqnarray}
\frac {\mathrm {d}P}{\mathrm {d}\delta }&=&\frac {V_{\mathrm {s}}V_{\mathrm {r}}}{X}\cos \delta \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。\( \ \displaystyle \frac {\mathrm {d}P}{\mathrm {d}\delta } ＞ 0 \ \)の時，発電機は安定となり，\( \ \displaystyle \delta =\frac {\pi}{2} \ \)の時安定限界となります。
したがって，定態安定度を上げるには電圧階級を上げる，送電線のリアクタンスを下げる，負荷角を小さくする，等の方法があることがわかります。

【解答】

(1)進相運転を実施する目的
(ポイント)
・一般に昼間の重負荷時は力率は遅れとなり，夜間軽負荷時はケーブルや送電線の静電容量により力率は進みとなります。
・分路リアクトルや調相設備で力率を調整する一方，発電機では進相運転を行い系統の電圧上昇を抑制します。

(試験センター解答)
深夜などの軽負荷時に系統側の進み負荷が過剰となり系統電圧が上昇する。そこで系統側で発生する過剰な無効電力を，タービン発電機の励磁電流を下げ進相運転を行うことで吸収し，系統電圧の上昇を抑制するのが目的である。

(2)進相運転時の留意点を三つ
(ポイント)
・ワンポイント解説「1.送電端電圧と受電端電圧の関係」の通り，進相運転により発電機電圧は低くなります。
・ワンポイント解説「2.定態安定度のメカニズム」の通り，発電機電圧が下がると定態安定度は低下します。
・進相運転では，固定子鉄心端部を通る漏れ磁束が増加することにより過熱しやすくなります。

(試験センター解答例)
①　内部誘導起電力が低くなるため，同期化力が減少し，定態安定度が低下する。
②　漏れ磁束が固定子端部に通りやすくなり渦電流が増え，発電機固定子鉄心端部が過熱する。
③　端子電圧低下により所内電圧が異常に低下する。

(3)小問(2)の留意点に対する発電所における対策を二つ
(ポイント)
・定態安定度は電圧が下がるとどうしても下がってしまうので，高速度\( \ \mathrm {AVR} \ \)を導入する等で電圧の変動を小さくする方法が取られます。
・固定子鉄心端部の過熱対策には，回転子保持環を非磁性体にしたり，漏れ磁束に対する磁気抵抗を高めたりする等の対策が取られます。
・所内電圧の調整には，所内変圧器に負荷時タップ切換器を設置して所内電圧が異常低下しないようにしています。

(試験センター解答例)
以下の対策から二つ記載されていればよい。
①　高速度\( \ \mathrm {AVR} \ \)を設置し端子電圧の変動を少なくさせ定態安定度を向上させるとともに，不足励磁制限装置により下限値設定を行う。
②　所内電圧が異常に低下しないように所内変圧器に負荷時タップ切換器を設置して安全運転範囲内にする。
③　非磁性保持環，鉄心の段落とし，磁束シャントなどの採用により，固定子鉄心端部を通る漏れ磁束を低減する。
④　非磁性押え板，押え板の銅板シールド，鉄心端部のスリットなどの採用により固定子鉄心端部の渦電流を低減する。