発電機のフライホイール効果とタービンガバナーシステムの安定性

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大型の最新式水力発電機は慣性定数が小さいため、タービン制御システムの安定性に問題が生じる可能性があります。これは、タービン水の挙動によるもので、慣性によって制御装置が作動した際に圧力管内でウォーターハンマーが発生します。これは一般的に、水力加速時定数によって特徴づけられます。単独運転では、システム全体の周波数がタービンガバナーによって決定されるため、ウォーターハンマーが速度制御に影響を与え、不安定性がハンチングや周波数変動として現れます。大規模システムとの相互接続運転では、周波数は基本的にシステムによって一定に保たれます。この場合、ウォーターハンマーはシステムに供給される電力に影響を与え、安定性の問題は、電力が閉ループで制御される場合、つまり周波数調整に関与する水力発電機の場合にのみ発生します。

タービンガバナギアの安定性は、水塊の水力加速時定数による機械的加速時定数とガバナのゲインの比に大きく影響されます。上記の比が減少すると不安定化効果が生じ、ガバナゲインの減少が必要となり、周波数安定化に悪影響を及ぼします。したがって、水力発電ユニットの回転部品には最小限のフライホイール効果が必要であり、これは通常、発電機でのみ実現可能です。あるいは、圧力逃がし弁やサージタンクなどを設けることで機械的加速時定数を低減することもできますが、一般的に非常にコストがかかります。水力発電ユニットの速度調整能力に関する経験的基準は、独立運転中のユニットの定格負荷全体を遮断した際に発生するユニットの速度上昇に基づいて設定できます。大規模な相互接続システムで運転され、システム周波数の調整が求められる発電ユニットの場合、上記で計算した速度上昇率は45%を超えないものとします。小規模システムの場合は、より小さな速度上昇率とします（第4章を参照）。

取水口からデハール発電所までの縦断面図
（出典：著者論文 – 第2回国際水資源協会世界会議、1979年）デハール発電所の場合、取水設備、圧力トンネル、差圧サージタンク、および水圧管路から構成される、調整貯水池と発電ユニットを接続する水圧システムが示されています。水圧管路内の最大圧力上昇を35%に制限すると、全負荷遮断時の発電ユニットの最大速度上昇は、ガバナー閉鎖時で約45%と推定されます。
定格落差282m（925フィート）において、発電機の回転部による通常のフライホイール効果（すなわち、温度上昇のみを考慮した固定）により、9.1秒の時間が得られた。運転の第1段階では、速度上昇は43パーセント以下であることがわかった。したがって、通常のフライホイール効果でシステムの周波数調整に十分であると判断された。

発電機パラメータと電気的安定性
発電機の安定性に影響を与えるパラメータは、フライホイール効果、過渡リアクタンス、短絡比です。デハールのような420kV超高圧システムの開発初期段階では、システムの弱さ、短絡レベルが低いこと、力率が進みで運転されていること、送電出口の設置や発電ユニットのサイズとパラメータの固定における経済性の必要性などから、安定性の問題が深刻化する可能性があります。デハール超高圧システムに対するネットワークアナライザ（過渡リアクタンスの背後にある定電圧を使用）による予備的な過渡安定性研究でも、わずかな安定性しか得られないことが示されました。デハール発電所の設計初期段階では、通常の発電機を指定することが検討されていました。
特性を改善し、特に励磁システムのパラメータなど、関連する他の要素のパラメータを最適化することで安定性の要件を満たすことは、経済的に安価な代替手段となるでしょう。英国システムの研究でも、発電機のパラメータを変更しても安定性マージンへの影響は比較的小さいことが示されています。したがって、付録に示されている通常の発電機パラメータが発電機に指定されました。実施された詳細な安定性研究は、

ライン充電容量と電圧安定性
遠隔地に設置された水力発電機は、充電 kVA が機械の線路充電容量を超える長距離無負荷 EHV 線路を充電するために使用されますが、機械が自己励磁状態になり、電圧が制御不能に上昇する可能性があります。自己励磁の条件は、xc < xd です。ここで、xc は容量性負荷リアクタンス、xd は同期直接軸リアクタンスです。パニパット (受電端) までの単一の 420 kV 無負荷線路 E2 /xc を充電するために必要な容量は、定格電圧で約 150 MVAR でした。第 2 段階で同等の長さの 2 番目の 420 kV 線路が設置されると、定格電圧で両方の無負荷線路を同時に充電するために必要な線路充電容量は約 300 MVAR になります。

機器供給業者から通知された、Dehar発電機の定格電圧におけるライン充電容量は以下のとおりです。
（i）定格MVAの70％、すなわち121.8 MVARのライン充電は、最低10％の正の励磁で可能です。
（ii）定格MVAの最大87％、すなわち139MVARのライン充電容量は、最小1％の正の励磁で可能です。
（iii）BSSによると、定格MVARの最大100％、すなわち173.8ライン充電容量は、約5％の負励磁で得られ、10％の負励磁で得られる最大ライン充電容量は定格MVAの110％（191 MVAR）です。
（iv）ライン充電容量のさらなる増加は、機械のサイズを大きくすることによってのみ可能です。 （ii）および（iii）の場合、励磁の手動制御は不可能であり、高速動作自動電圧調整器の連続運転に完全に依存する必要があります。ライン充電容量を増やす目的で機械のサイズを大きくすることは、経済的に実現可能でも望ましいことでもありません。したがって、運転の第1段階の運転条件を考慮して、発電機に負の励磁を与えることにより、定格電圧で191 MVARのライン充電容量を発電機に提供することが決定されました。電圧不安定性を引き起こす重要な運転条件は、受電端での負荷の切断によっても発生する可能性があります。この現象は、発電機の速度上昇によってさらに悪影響を受ける機械の容量性負荷によって発生します。自己励磁と電圧不安定性は、次のような場合に発生する可能性があります。

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
ここで、Xcは容量性負荷リアクタンス、Xqは直交軸同期リアクタンス、nは負荷遮断時に発生する最大相対過速度です。詳細な調査によると、デハール発電機におけるこの条件は、送電線の受電端に400kV超高圧分路リアクトル（75MVA）を常時接続することで回避できると提案されました。

ダンパー巻線
ダンパー巻線の主な機能は、容量性負荷を伴う線間短絡事故発生時に過電圧の発生を防ぎ、機器への過電圧ストレスを低減することです。遠隔地で長距離の送電線接続を想定し、直交軸リアクタンスと直軸リアクタンスの比Xnq/Xndが1.2を超えない完全接続型のダンパー巻線が指定されました。

発電機の特性と励磁システム
標準特性を持つ発電機が指定され、予備調査で安定性がぎりぎりであることが示されたため、機器全体の最も経済的な配置を実現するために、安定性マージンを向上させる高速静止励磁装置を使用することが決定された。静止励磁装置の最適特性を決定するための詳細な調査が実施され、第10章で説明されている。

地震に関する考察
デハール発電所は地震地帯に位置しています。デハールの水力発電機の設計において、以下の規定は、機器メーカーとの協議、現場の地震および地質条件、そしてインド政府がユネスコの支援を受けて設置したコイナ地震専門家委員会の報告書を考慮して提案されました。

機械的強度
デハール発電機は、デハールで想定される最大地震加速度力（垂直方向および水平方向の両方）が機械の中心に作用した場合、その力に安全に耐えられるように設計されなければならない。

固有振動数
機械の固有振動数は、100Hz（発電機周波数の2倍）の磁気周波数から十分に離れた値（高い値）に設定する必要があります。この固有振動数は地震の周波数から大きく離れており、地震の卓越周波数および回転システムの臨界速度に対して十分な余裕があることを確認する必要があります。

発電機固定子支持部
発電機固定子および下部スラストベアリングとガイドベアリングの基礎は、複数の底板から構成される。底板は、基礎ボルトによって、通常の垂直方向に加えて横方向にも基礎に固定される。

ガイドベアリングの設計
ガイドベアリングはセグメント型とし、ガイドベアリング部品は地震の全荷重に耐えられるよう強化する。さらに、メーカーは上部ブラケットを鋼製桁でバレル（発電機筐体）に横方向に連結することを推奨している。これは、コンクリート製のバレルも強化する必要があることを意味する。

発電機の振動検出
地震による振動が所定の値を超えた場合に停止および警報を発するため、タービンおよび発電機に振動検出器または偏心計を設置することが推奨されている。この装置は、タービンに影響を与える水力学的条件による異常な振動を検出するためにも使用できる。

水銀コンタクトレンズ
地震による激しい揺れは、水銀接点を使用している場合、機器のシャットダウン開始時に誤作動を引き起こす可能性があります。これを回避するには、防振タイプの水銀スイッチを指定するか、必要に応じてタイミングリレーを追加してください。

結論
（１）デハール発電所では、送電網の規模とそれが系統予備容量に与える影響を考慮して大型ユニットを採用することにより、設備および構造物のコストを大幅に削減することができた。
（２）回転子縁部のパンチング加工に高張力鋼が開発されたことにより、大型高速水力発電機でも可能になった傘型構造を採用することで、発電機のコストが削減された。
（３）詳細な調査を経て自然高力率発電機を調達した結果、コストがさらに削減された。
（４）デハール周波数調整所の発電機の回転部分の通常のフライホイール効果は、大規模な相互接続システムのため、タービンガバナーシステムの安定性には十分であると考えられた。
（５）超高圧ネットワークに電力を供給する遠隔発電機の電気的安定性を確保するための特別なパラメータは、高速応答静的励磁システムによって満たすことができる。
（６）高速応答型静的励磁システムは、必要な安定余裕を提供できる。しかし、このようなシステムでは、故障後の安定性を実現するために安定化フィードバック信号が必要となる。詳細な研究を行う必要がある。
（７）長距離の超高圧送電線で系統に接続された遠隔発電機の自己励磁および電圧不安定性は、負励磁を採用して機械の線路充電容量を増加させること、および／または恒久的に接続された超高圧分路リアクトルを採用することによって防止できる。
（８）発電機とその基礎の設計において、わずかな費用で地震力に対する安全対策を講じることができる。

デハール発電機の主なパラメータ
短絡比 = 1.06
過渡リアクタンス直接軸 = 0.2
フライホイール効果 = 39.5 x 10⁶ lb ft²
Xnq/Xnd ≤ 1.2