電力系統


あまり聞いたことの無い言葉かも知れないが、 ここでは送配電システム全体に渡ることを書いてみたいと思う。 確かに身近な話ではないので看板に偽りあり、かも知れないし、 他の page には溢れている写真がこの page にだけは増えるとも思えないが、 まぁ、たまにはそんな page もあっていいだろう。
というのも、この話題はあまりにもぴったりと、 私の好みにはまってしまったのだ。 そんな訳で、この page は、私の好みに身近な配送電。 (^^;;
ほとんど下地が無いところにいきなり本を読んだので、 知恵熱が出そうだ。 (^_^) きっと間違いが沢山あると思うので、 お気付きの点は是非御教え頂きたい。 なお、 納得のいったことから徐々に書いていくつもりなので、 準備中箇所が多くなることと思うが、 あらかじめ御了承頂きたい。

標準電圧

標準電圧 100 ボルトというのは 101 ± 6 V, 標準電圧 200 ボルトというのは 202 ± 20 V の範囲のことを意味する。 雷が落ちたり、何らかの事故などで、 もしも電圧がこの範囲より低くなったりすると、 そのことを瞬時電圧低下、通称『瞬低』と呼ぶ。 たまに『しゅんてい』は『瞬停』、 すなわち瞬時停電 (?) のことだ と思っている人もいるようだが、 電気が止まらなくでも、 電圧が落ちただけで『瞬低』である。
一瞬電圧が下がるだけでも計算機の類は止まってしまい、 処理が中断するとか、 ディスクの内容が読めなくなる、 などの悲劇が起こる。 普段から計算機と良く接している 私自身も何度か経験している。 逆に高すぎても困る訳で、 電気機器から煙が立ち昇る、 なんてことも起こりかねない。

追記: みそがい氏から、『うちの会社では「しゅんてい」は「瞬停」を指します。』 という突っ込み (^_^) を頂いた。 私が今まで居た所では、 ロボットやコンピュータばかりを相手にしていたので、 『瞬低』だけでトラブルとしては充分であり、 その上『瞬停』など言語道断だったので、 『しゅんてい』と言ったら『瞬低』を意味していたのだろう。 ここら辺は企業ごとの文化が反映して案外面白い話になるのかも知れない。
今の所、『しゅんてい』≡『瞬停』 1票と、『しゅんてい』≡『瞬低』 1票だ。
さらに、みそがい氏から 『「瞬停」は「瞬断」と呼ぶこともあります』 とのことだ。 私もこれは使っていて、 実は『瞬断』と『瞬低』とで呼び分けたりもしていたのだ。 『瞬低』だけを意味する別名をご存知の方は、是非ご教示頂きたい。

追記 2: 現在進行形で実に大きな反響を戴いている。
瞬時の電圧低下は『電圧ディップ』、 瞬時の停電は『短時間停電』と呼ぶというご指摘や、 『本来瞬停なんてあり得ない』 (配電の再閉路時には最低一分ぐらいは止まるから瞬時とは呼べない) というご意見なども興味深いものがある。
ご教示いただきましてありがとうございました。 文中で失礼とは思いますが、御礼申し上げます。

そんな時に備えるためには、 無停電電源 (UPS) を用いる。 こいつは CVCF などという呼び方もされることがあるが、 その理由は UPS を使うと その出力の電圧と周波数が一定になる(製品もある)からである。 電源に異常が発生すると、UPS は内蔵するバッテリーから電力を取り出し、 それを交流に変換して負荷に供給する。 電源異常には停電だけでなく、瞬低や電圧超過、 あるいは周波数の変動など、 あらゆる不具合が含まれる。
今私の机のすぐ横にも UPS が一台あって、 何も変わったことがないのに いきなりバッテリー駆動に切り替わったりして驚くことがある。 今度そんなことがあったら すぐに切り替わった原因を調べてみようと思うのだが、 いつもチャンスを逃してしまっている。 きっとちょっとした変化が記録されているに違いないのだ。


標準周波数

電源の周波数は東日本では 50 Hz, 西日本では 60 Hz である。 この周波数は非常に厳密に制御されていて、 その変動幅はせいぜい ±0.1 Hz くらいだ。
電源の周波数の精度というのは、 実際には発電機の回転数の精度と同義である。 たとえば、火力発電所のタービンは (50 Hz 地域では) 普通毎分 3000 回転しているが、 これを毎秒で書けば 50 回転、 すなわち電源周波数と全く同じなのである。 電力需要が多くなって負荷が重くなると、 タービンの回転数も少しずつ下がってきてしまうし、 逆に負荷が軽くなると、 タービンの回転数も少しずつ多くなってくる。 回転数が設計値から離れ過ぎてしまうと、 タービンや発電機は異常な振動を始めたり、 酷い時にはタービンと発電機とが共有している回転軸が 折れてしまう可能性だってある。 特に回転数が設計値よりも高くなってしまうと、 遠心力が大きくなり過ぎてタービンの羽がタービン・ディスクから抜けてしまい、 それがタービン・ケースを突き破って飛び出して来たりする危険性も出てくる。
こんな事情で、 標準周波数 50 Hz の場合には、 1 分間程度なら 48 Hz での運転も可能であり、 48.5 Hz なら 10 分間程度まで持たせることができるのだが、 その反対に上限は 51 Hz 程度が限界なのだそうだ。

そんな訳で、 大事故に繋がる可能性があるのは、 どちらかというと、 いきなり電力需要が増えた時よりも いきなり需要が減ってしまった時なのであろう。
西暦 2000 年の到来を控えて、 電力会社は 今度の年末年始の電力需要がどのくらいになるのか、 頭を悩ませている。 例年ならば年末年始も継続して動いている機械が、 今年だけは 2000 年問題を警戒して 停止される可能性があるからで、 その予想が狂うと供給過剰 (需要不足) で 発電機の回転数が上がり過ぎてしまう可能性があるのだ。

1999 年 10 月 28 日に、 関西電力西京都変電所で起こった保護装置の誤作動で、 約 40 万軒 (約 96 万キロワット) の規模の停電が発生した時に、 高浜発電所の 3 基の原子力発電プラントが自動停止したが、 この停止の直接の原因も周波数などの異常変動であったようだ。
関西電力のプレスリリースや新聞報道に 私の推測を交えてシナリオを書いてみると、 最初、ひとつの変圧器が保護装置の誤作動で使えなくなったために、 その変圧器を流れていた電流が 周囲の送電線に回り道をして流れる事になって それらの送電線も過電流 (要するに電流オーバー) で 安全装置が働き使えなくなってしまった。 結局、 付近の送電線の何本かが使えなくなってしまったおかげで、 原子力発電プラントで作られた電力は どこにも行き場が無くなってしまった。 発電所周辺だけを見れば、 これは予定に無い供給過剰状態であり、 電源周波数と電源電圧が不安定な状態になってしまった。 このため、 原子炉の炉心を冷やしている一次冷却系のポンプの電源で、 周波数低下と電圧低下の両方が検出され、 炉心の温度上昇を予防するために原子炉が自動的に停止されるとともに、 約 250 万キロワット分の発電機 3 機も全部停止されたのだ。
ここで周波数が低くなってしまったり、 電圧が低くなってしまったりというのは、 負荷が急に無くなったという事故の内容から考えると ずれる向きが逆であるような気もする。 恐らくは、 上がり過ぎた周波数を落すために タービンへの蒸気を絞ったりなど、 ある程度の修正を加えたのだけれども、 今度はその修正量を調整しきれずに 運用限界を越えてしまった、 ということだろう。

事故発生当時、 変圧器の保護装置の取り替え中であったということで、 元々余裕の無くなっている状態での健全変圧器の保護装置の誤動作であるから、 さすがに持ち応えることができなかったのであろう。 もし、西京都変電所が最大級の 5 バンク構成であったとしても、 それを 3 バンクで支えなければならなかったことになる。 普通、 変圧器などは条件さえ良ければ 最大 150 % 程度の過負荷運転を 1 時間程度は行なえるくらいの 余力を持って設計されているが、 いくらなんでも 167 % の過負荷は無理だったのだ。
もしもこれが真夏の電力輸送に余裕の少ない時であったなら、 どんどん周囲の送電線に事態が波及していって、 電源 60 Hz 地帯全域の停電だって起こり得たような気もするのだ。 もちろん、それを未然に防ぐのがエンジニアリングなのだし、 プロフェッショナルな人たちがそれに備えていない筈は無いのだが。


位相の同期と並列運転

さて、 電源の周波数というのは、 結局発電機の回転数なんだという事が判ったのだが、 同じ系統に属している発電機は回転数を同じにするだけでなく、 もっと厳しい条件をクリアしなければならない。
うまい説明の仕方が判らないので、 ここでは例えを使ってみよう。

あなたの周りにも、きっと一つや二つのアナログ時計があるだろう。 ちょっとそれを見て頂きたい。 時計の短針は、 一日に二回転する。 これはどの時計も同じで、 必ず一回転に 12 時間、 すなわち 43200 秒かかる。 これが、『時計の短針の回転数はどの時計でも同じ』だという事の意味だ。
ただ、普通の時計はこれだけでは満足して貰えない。 全ての時計の短針が、 皆同じ瞬間に真上を向く必要がある。 これをもっと難しい言葉を使って言うと、 『時計の短針の位相も全部揃っていなければならない』 あるいは 『時計の短針の位相も全部同期していなければならない』 という事になる。
電力系統というのは何千台もの発電機が互いに並列に繋がれているようなものだ。 おまけに、 流れているのは交流だから、 その周波数だけでなく、 電流の押しと引きとまでもが揃っていなければ、 系統に対して電力を送り出すことにはならず、 下手をすると、 系統に電気エネルギーを送り出しているつもりで、 本当は系統からエネルギーを貰ってしまっている、 などということにもなりかねないわけだ。

複数の発電機を並列に接続して運転することを 並列運転と呼ぶ。 並列運転を行なうためには それらの周波数, 電圧, 位相の全てが揃っている必要がある。
一度並列運転に入った二台の発電機があって、 片方が日本中の発電機を全て集めたくらいのスケールであったとしよう。 すなわち、 この大きい方の発電機は系統全体を代表するもので、 ちょっとやそっとのことでは動じない発電機であると仮定するのだ。
その時、 小さい方の発電機が何かの拍子で少し回転が狂ったとすると、 二つの発電機の発生する誘導起電力にも微妙な差が出てくる。 この差電圧によって発生する電流は同期化電流と呼ばれ、 これが発電機の電機子巻線に流れると 最初の狂いを減らして位相を揃えるような向きにはたらく。 そして、 その位相は、 系統全体の位相から幾分進んだところで安定するようになる。 この安定点での位相のずれは、 発電機が系統に電力を送り出すためには どうしても必要なもので、 どれだけの電力を送り出さなければならないかが決まれば、 後は容易に計算で求めることができる、 のだそうだ。
この同期化の働きは、 どのような初期状態からでも働くものでもないようだが、 とにかく一度並列運転に入ってしまえば、 少しくらいの変動に対しては安定した運転が可能となる。


系統安定性

ある電線路の上を、 電力がどちらからどちらへ運ばれているのかを知るためには、 電源の位相に注目しなければいけない。 電力を送るためには、 送電側と受電側とでの位相の差がなくてはならず、 架空送電線のような 抵抗分やキャパシタンス分を無視できるところで 電力を送る場合ならば、 位相差が少ない領域では 送電電力は位相差にほぼ比例すると考えて良い。

ところが、ここで、架空送電線に事故が起こって、 今まで 2 回線で送電していた電力を 1 回線で送らなければならなくなってしまったとする。 この時、送電線のインダクタンスが変化するため 発電機の負荷も変化し、 そのために発電機の回転速度も影響を受けることになる。
すなわち、タービンから発電機に入ってくる運動エネルギーと、 発電機から電力として出ていく電気エネルギーとが アンバランスになった時には、 そのアンバランスがあまりに大きいと 発電機という機械を安定して回転させておくことができなくなり、 機械が壊れるまで回転数が上昇したり、 いきなり回転が止まってしまったりすることになる。 ここまで破局的な現象が発生しなかったとしても、 そのアンバランスを吸収するのに何時間もかかって その間じゅう回転数が上がったり下がったりを繰り返すようでは、 機械の寿命を縮めてしまう事にもなりかねないし、 次のアンバランスが起こった時には対応しきれなくなってしまう。 このアンバランスそのもののことを (かなり酷くなってしまった場合には) 乱調と呼び、 どのくらい大きなアンバランスが起こっても平気な顔をしていられるか、 を系統安定性という。

そのためには、 発電機の回転部分の質量を大きくして、 ちょっとやそっとのアンバランスには 影響されないようにすることなども考えられるが、 これは発電機に巨大な鉄の塊 (フライホイール、もしくははずみ車と呼ぶ) を付けるようなものなので、 効率が落ちたり、発電機の価格が高くなったりする。 もちろん発電機の回転数を常に監視して、 タービンに導く蒸気の量をコントロールすることができれば良いのだが、 あいにく火力発電所ではそういった制御は行ないにくいのだそうで、 短時間タービンに導く蒸気を止めたりすることで対応するようだ。
一方、 送電線などに事故があっても その電気的特性をあまり変えないようにすることを目的として、 長距離の送電線の途中に開閉所を設けて 事故時に切り離す区間の長さを短くしたり、 架空送電線のインダクタンスを減らすために多導体の送電線を使ったりもする。
今まで単導体だった送電線を複導体にすると約 20 %, 4 導体にすると約 35 % インダクタンスが減少し、 その分安定度が向上する。 また、送電電圧を上げることも安定度向上に貢献する。

以下、準備中


調相

さて、電力を交流で送る時には 電圧と電流の位相も気にしなければならない。 たとえば、 負荷として純粋なコイルだけがあるとすると、 いくら電流が流れてもその電流によって電力を輸送することはできない。 これは、負荷として純粋なコンデンサだけが付いている場合も同様である。
これは、純粋なコンデンサあるいは純粋なコイルには 電気エネルギーを溜め込む習性があり、 交流電源とこれらとの間で 電気エネルギーのキャッチボールをしてしまうからである。 二人の人がキャッチボールをしているのを端から見ていると、 『延べ』で数えればたくさんのボールが遣り取りされているように見えるけれども、 結局のところはボールがたくさんある訳ではないし、 そのボールすらも最初提供した人のところへ戻っていくことが多い、 という現象に少し似ているかもしれない。
一般に負荷にコイルやコンデンサが含まれている場合には 電圧と電流の間に位相差が発生して、 輸送される電力は電圧と電流とを掛けたものに 位相差のコサイン (三角関数の cos) を掛けたものになる。 純粋なコイルやコンデンサのケースは 位相差が大きくなって 90 度になった時のことであって、 cos 90 [度] = 0 だから結局電力を全然送れないということになる。

この位相差のコサインを 力率と呼ぶ。 値としては 0 から 1 の範囲をとるが、 パーセント単位で表現することも多い。 電熱器などは純粋な抵抗だから力率は 100 % になるが、 モーターで圧縮器を回す冷蔵庫などでは力率は 80 % 以下になってしまう。 例え力率が 0 % であっても、 回路 (送電線) には電流が流れてしまうので、 電力系統の設備は使えもしない電流をせっせと運んでいることになる。 これではバカバカしい、というので、 電力会社から動力用の電力を買う時には、 力率が 85 % 以上だと基本料金を割り引いて貰える一方、 85 % 以下では割増しされてしまうそうだ。
一方、 位相差のコサインを掛ける前の、 電圧と電流を掛けたものを、 『表面的な』とか『うわべの』とかいった意味で、 皮相電力という。 だから、 皮相電力に力率を掛けたものが実際の電力となる訳で、 この実際の電力のことを有効電力と呼ぶ。 一方、コイルやコンデンサなどに溜め込まれて、 実際には利用できない電力のことを無効電力と呼ぶ。

無効電力ばかり流れているようではたまらないので、 力率を改善する (100 % に近付ける) ことを考えよう。 負荷と並列にコンデンサやコイルを入れて 力率を良くすることを調相とよぶ。
三相交流がこんなに普及したのは同期モーターが使いやすいからであるが、 モーターというのは典型的なコイル的な負荷 (誘導負荷) である。 このために電流の位相が遅れてしまうのだが、 こういった電流のことを遅れ電流と呼ぶ。 負荷と並列にコンデンサを繋いでやると、 そのコンデンサの分だけ電流の位相を進ませて 力率をより良く (高く) することができる。

電力を輸送する送電線も純粋な抵抗とは見倣し難い。 架空送電線は一般にはコイルとして近似することができるし、 地中送電線のケーブルはコンデンサとして近似することができる。 送電系統中での調相は 力率の調整を目的とするだけでなく、 電源の電圧を調整する目的で行なわれることも多い。 力率を変化させると 無効電力を有効電力に変えることができ、 その時同時に電圧も高くすることができるのだ。 変圧器のタップを切替えることによっても 電圧を調整することはできるが、 負荷力率を改善することができれば系統の設備の運用効率が上がるので、 一石二鳥になる。 このため、 系統全体の電圧調整は調相で行ない、 特定の狭い地域での電圧調整を変圧器によって行なう、 といった使い分け方をする。
また、 長距離で送電を行なう時や、 発電機を並列運転する時などにも、 電圧や力率を調整することで 非常に安定した巨大発電機がすぐ側にあるかのように 見せかけることができれば、 長距離送電や発電機の並列運転が安定して行なえるようになって、 系統全体の安定性を増やすことができる。

実際の系統では、 架空送電線などでは誘導負荷が多いため、 電流の位相が遅れている (この状態を遅れ力率という) 方が多く見られるが、 そんな時には負荷と並列に電力用コンデンサを入れる。 逆に電力ケーブルを多用するところ (主に都市部) などで、 電流の位相の方が早い (この状態は進み力率と呼ぶ) 時には、 分路リアクトルと呼ばれるコイルを負荷と並列に入れる。 変電所では電圧や力率を見ながら、 遮断器や開閉器を使ってタイミング良く、 電力用コンデンサや分路リアクトルを 系統に接続したり切り離したりすることになる。
昔は同期電動機のような機械 (同期調相機と呼ぶ) を回して調相を行なっていたが、 これは機械的な可動部分を含むためメンテナンスが大変なので、 今では電力用コンデンサと分路リアクトルとが一般的になっている。
さらに最近ではサイリスタを使った無効電力補償装置が使われており、 これには動く部分が無いので静止型無効電力補償装置 (SVC) とも呼ばれる。 この装置では力率を連続的に変化させることができ、 また電子的に制御するので反応が極めて良く、 負荷の変動を追いかけて (事故発生時にはそれに対応して素早く) 補償量を変化させることもできるという、 系統にとってはまことに有難い優れものであるが、 お値段が高いのが泣きどころなのだそうだ。


系統保護

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直流送電

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パワーエレクトロニクス

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未解決問題

  1. まだ、問題としてまとめられるほど、理解がすすんでいません。 (;_;)


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