《電力》〈変電〉[R08:問2]変電所の調相設備に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

次の文章は，変電所の調相設備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。

電力用コンデンサ（並列コンデンサ）は遅相分の無効電力を$ \ \fbox {　（１）　} \ $ために使用される。中容量以上の電力用コンデンサの保護としては，設備内の短絡，地絡事故時には$ \ \fbox {　（２）　} \ $リレーや地絡過電圧リレーにて故障を検出する電気式リレーが適用されている。また，コンデンサ内部素子故障は，電圧や電流の検出の変化がわずかであるため，各相のコンデンサを前段と後段の直列接続に分け，それぞれの$ \ \fbox {　（３）　} \ $の分担電圧の差を検出することにより，素子故障まで高感度に検出する$ \ \fbox {　（４）　} \ $方式の電気式リレーが多く適用されている。

分路リアクトルは進相分の無効電力を$ \ \fbox {　（１）　} \ $ために使用される。分路リアクトルの保護としては，その構造が$ \ \fbox {　（５）　} \ $に類似しており，$ \ \fbox {　（５）　} \ $の保護方式に準じた電気式，機械式リレーが適用されている。

〔問2の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　距離　　　　　&（ロ）&　同期調相機　　　　　&（ハ）&　一定に保つ \\[ 5pt ] &（ニ）&　供給する　　　　　&（ホ）&　励磁コイル　　　　　&（ヘ）&　オープンデルタ \\[ 5pt ] &（ト）&　消費する　　　　　&（チ）&　放電コイル　　　　　　　&（リ）&　電圧平衡 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　空芯コイル　　　　　　　&（ル）&　欠相　　　　　&（ヲ）&　過電流 \\[ 5pt ] &（ワ）&　変圧器　　　　　&（カ）&　電圧調整器　　　　　&（ヨ）&　リアクタンス平衡 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

変電所の調相設備とその保護方式に関する問題です。
(2)～(5)は専門性が高く，正答率は非常に低かったことが予想されます。基本的に難問は他の受験生も解けない場合が多いので慌てないことが重要です。

1.代表的な調相設備とその特徴
代表的な無効電力の調相設備には次の$ \ 4 \ $種類があり，それぞれ以下のような特徴があります。

①電力用コンデンサ
進相の無効電力を消費し，進み位相にする設備です。重負荷時に力率を改善し，系統の電圧降下や電力損失を軽減することができます。
開閉器投入・開放操作で調整するため，無効電力の調整は段階的となります。
電力用コンデンサ投入に伴い，電圧及び電流波形のひずみ，高調波，コンデンサ投入時の突入電流防止等が発生するおそれがあるため，直列にリアクトルを挿入します。
価格面で有利であり，静止機器であるため保守が容易となります。

②分路リアクトル
遅相の無効電力を消費し，遅れ位相にする設備です。夜間・軽負荷時に力率を改善し，受電端電圧上昇を抑制することができます。
開閉器投入・開放操作で調整するため，無効電力の調整は段階的となります。
電力用コンデンサ同様，価格面で有利であり，静止機器であるため保守が容易となります。

③同期調相機
無負荷の同期電動機で図4に示すような特性があるため，界磁電流を調整し無効電力を遅れから進みまで連続的に調整することができます。
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り，これは同期調相機特有の特徴です。
ただし，回転機であることから電力用コンデンサや分路リアクトルと比べコストが高く，軸受やブラシの摩擦損，風損等電力損失が多く，保守に労力を要します。

④静止形無効電力補償装置
サイリスタによる高速制御で，無効電力を遅れから進みまで調整可能な装置です。
サイリスタ位相制御によりリアクトル電流を調整して無効電流を連続的に調整する$ \ \mathrm {TCR} \ $方式，サイリスタによりコンデンサを開閉して無効電力を段階的に調整する$ \ \mathrm {TSC} \ $方式，自己消弧素子を用いた自励式変換器を用いることで無効電力を連続的に調整する自励式$ \ \mathrm {SVC} \ \left( \mathrm {STATCOM}\right) \ $等があります。

それぞれの特徴を比較すると下表のようになります。
\[
\begin{array}{|c|c|c|c|c|}
\hline
& 電力用コンデンサ & 分路リアクトル & 同期調相機 & 静止形無効電力補償装置\\
& & & & \mathrm {SVC}\\
\hline
調整能力 & \displaystyle {進相電力を吸収}\atop \displaystyle {（電流を進ませる）} & \displaystyle {遅相電力を吸収}\atop \displaystyle {（電流を遅らせる）} & 遅れから進みまで調整 & 遅れから進みまで調整 \\
\hline
調整 & 段階的 & 段階的 & 連続的 & 連続的 \\
\hline
コスト & 安 & 安 & 高 & 高 \\
\hline
保守性 & 容易 & 容易 & 煩雑 & 容易 \\
\hline
\end{array}
\]

2.電力用コンデンサの保護方式
①設備全体の電気的保護
　短絡事故等の過電流を検出する過電流リレー，地絡事故等の過電圧を検出する地絡過電圧リレーや停電時に遮断する不足電圧リレーがあります。

②内部素子故障の保護
　コンデンサ内部は多数の素子が直並列接続されているため，$ \ 1 \ $素子が破壊・短絡した程度では主回路電流・電圧の変化が極めてわずかです。そのため，大容量設備には各相のコンデンサを前段・後段の直列群に分け，それぞれの放電コイルの分担電圧の差を検出する電圧平衡方式，小容量設備には各相の放電コイル二次側をブロークンデルタ接続し，素子故障時に発生する不平衡電圧を検出するブロークンデルタ方式が採用されます。

③機械的保護
　内部破壊時のガス圧上昇によりタンクが変形・破損するのを防ぐため，タンクの膨張を検出するリミットスイッチや放圧装置，電力ヒューズが併用されます。

3.分路リアクトルの保護方式
　構造が変圧器と類似しているため，保護方式も基本的に変圧器の保護方式に準じた方式が適用されます。

①電気的保護
　巻線短絡や相間短絡などの主回路内部短絡事故を高速・確実に検出する比率差動リレー，比率差動リレーの後備保護や過負荷保護として過電流リレーが用いられます。

②機械的保護
　相間短絡等の内部事故に伴う絶縁油の分解ガス発生や急激な油圧上昇を検出する衝撃油圧リレーや放圧装置があります。