《電力》〈送電〉[R01:問3]電力系統の短絡容量に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆(やや易しい)

次の文章は,電力系統の短絡容量に関する記述である。文中の\( \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ \)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

電力系統の短絡容量\( \ P_{\mathrm {S}} \ \mathrm {[MV\cdot A]} \ \)は,単位法における基準容量を\( \ P_{\mathrm {B}} \ \mathrm {[MV\cdot A]} \ \),故障点からみた電源側の%インピーダンスを\( \ %Z_{\mathrm {S}} \ \)とすると,\( \ \fbox {  (1)  } \ \)によって計算され,電力系統に連系する同期発電機の減少に対して短絡容量は\( \ \fbox {  (2)  } \ \)という関係にある。

短絡容量が大きくなり,遮断器の遮断容量を上回るようになると,故障電流を遮断できず,機器の損傷や広範囲・長時間の停電を引き起こすおそれがあることから,遮断容量の増加や短絡容量抑制対策が実施される。

短絡容量抑制対策としては,変圧器の\( \ \fbox {  (3)  } \ \)を増加させたり,系統と系統の連系点に\( \ \fbox {  (4)  } \ \)を設置したりするといった設備上の対策のほか,電力系統を\( \ \fbox {  (5)  } \ \)するという運用上の対策もある。ただし,設備コストの増加や,系統構成によっては同期安定性や電圧安定性の低下に繋がる可能性があることから,これらの点を考慮する必要がある。

〔問3の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&(イ)& \frac {%Z_{\mathrm {S}}}{100}\times P_{\mathrm {B}}     &(ロ)& 並列台数     &(ハ)& インピーダンス \\[ 5pt ] &(ニ)& 小さくなる     &(ホ)& 直列コンデンサ     &(ヘ)& \frac {100}{%Z_{\mathrm {S}}}\times P_{\mathrm {B}} \\[ 5pt ] &(ト)& 定格容量     &(チ)& 分割運用     &(リ)& 大きくなる \\[ 5pt ] &(ヌ)& ループ運用     &(ル)& \frac {1}{%Z_{\mathrm {S}}}\times P_{\mathrm {B}}     &(ヲ)& 静止型無効電力補償装置 \\[ 5pt ] &(ワ)& 直流設備     &(カ)& 変わらない     &(ヨ)& 電圧低め運用 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

2種でもよく出題される内容であり,二次試験にも出題されるような重要な内容でもあるので,1種としては比較的易しい部類の問題になると思います。合格のためには可能であれば4つ以上正答しておきたい問題です。

1.百分率インピーダンス
基準容量を\( \ P_{\mathrm {n}} \ \),基準電圧を\( \ V_{\mathrm {n}} \ \),基準電流を\( \ I_{\mathrm {n}} \ \)とすると,
\[
\begin{eqnarray}
%Z&=&\frac {P_{\mathrm {n}}Z}{V_{\mathrm {n}}^{2}}\times 100 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。

2.百分率インピーダンスの短絡電流
百分率インピーダンスを\( \ %Z \ \)とすると,三相短絡電流\( \ I_{\mathrm {s}} \ \)は,基準電流\( \ I_{\mathrm {n}} \ \)を用いて,
\[
\begin{eqnarray}
I_{\mathrm {s}}&=&\frac {I_{\mathrm {n}}}{%Z/100} \\[ 5pt ] &=&\frac {100I_{\mathrm {n}}}{%Z} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] で求められます。

3.電力系統の短絡容量抑制対策
本問の説明文の通り,短絡容量を増大させると遮断器の遮断容量を大きくしなければならず,電力系統は短絡容量の抑制対策を行う必要があります。
しかしながら,短絡容量を抑制することで系統の信頼度が低下する,コストがかかる等のデメリットもあります。

①発電機や変圧器などに高インピーダンス機器を採用する
インピーダンスを大きくすることで,短絡電流を抑えることができますが,電圧変動率や安定度が低下する,負荷損が増加する等のデメリットがあります。

②送電線に直列に限流リアクトルを設置する
限流リアクトルを設置することで,短絡電流を抑えることができますが,無効電力損失の増加,安定度の低下等のデメリットがあります。

③変電所の母線分離運用を行う
母線分離運用を行うことで,並列回路数が少なくなり,系統のインピーダンスが増大しますが,安定度が低下します。

④短絡電流を流さない\( \ \mathrm {BTB} ( \mathrm {Back \ to \ Back} ) \ \)を設置する
同一構内に交直変換装置を設置する方法で,間に直流を挟むことにより交流系統を分割して短絡電流を抑えることができますが,安定度が低下し,設置コストがかかるデメリットがあります。

⑤現在採用されているよりも上位の電圧階級を導入し,既存の系統を分割する
電圧が高くなることで,電流を抑えることができ,安定度も工場しますが,コストが非常にかかります。

【解答】

(1)解答:ヘ
ワンポイント解説「2.百分率インピーダンスの短絡電流」の通り,百分率インピーダンスを\( \ %Z_{\mathrm {s}} \ \)の時,三相短絡電流\( \ I_{\mathrm {s}} \ \)は,基準電流\( \ I_{\mathrm {n}} \ \)を用いて,
\[
\begin{eqnarray}
I_{\mathrm {s}}&=&\frac {100I_{\mathrm {n}}}{%Z} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] であるので,短絡容量\( \ P_{\mathrm {s}} \ \),基準電流\( \ P_{\mathrm {n}} \ \)を用いて,
\[
\begin{eqnarray}
V_{\mathrm {n}}I_{\mathrm {s}}&=&\frac {100V_{\mathrm {n}}I_{\mathrm {n}}}{%Z} \\[ 5pt ] P_{\mathrm {s}}&=&\frac {100P_{\mathrm {n}}}{%Z} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] と求められる。

(2)解答:ニ
題意より,解答候補は(ニ)小さくなる,(リ)大きくなる,(カ)変わらない となると思います。(1)の解答式の通り,同期発電機の容量の減少に比例して短絡容量は小さくなります。

(3)解答:ハ
題意より,解答候補は(ロ)並列台数,(ハ)インピーダンス,(ト)定格容量,となると思います。ワンポイント解説「3.電力系統の短絡容量抑制対策」の通り,短絡抑制対策としては,高インピーダンス機器が効果的となります。

(4)解答:ワ
題意より,解答候補は(ホ)直列コンデンサ,(ヲ)静止型無効電力補償装置,(ワ)直流設備となると思います。ワンポイント解説「3.電力系統の短絡容量抑制対策」の通り,短絡抑制対策として,短絡電流を流さない\( \ \mathrm {BTB} ( \mathrm {Back \ to \ Back} ) \ \)を設置することが効果的となります。

(5)解答:チ
題意より,解答候補は(チ)分割運用,(ヌ)ループ運用,(ヨ)電圧低め運用となると思います。ワンポイント解説「3.電力系統の短絡容量抑制対策」の通り,短絡抑制対策としては分割運用が効果的となります。



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