電験3種「電力」のポイント その2 水車の種類と調速機

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電験3種「電力」のお勉強2回目のテーマは「水車の種類と調速機」です。

 

水力発電における水車の種類

水力発電に使用される水車は、「衝動水車」「反動水車」に大別されます。
衝動水車は水流の運動エネルギー(速度水頭)を、反動水車は水流の圧力エネルギー(圧力水頭)を利用する水車です。衝動水車を代表するものに「ペルトン水車」があり、反動水車を代表するものに「フランシス水車」があります。

 

フランシス水車とは

フランシス水車では、流水が外周方向からランナに進入します。
斜流水車は流水が斜め上からランナに流れ込みます。プロペラ水車では、水流が回転軸と同じ方向に流れます。
・実際の水車を相似形で縮小し、落差を1mとした場合、1kWの出力を得るために必要な回転数を「比速度」といいます。
比速度の大きな水車は低落差に適しており、比速度の小さな水車は高落差に適します。

 

ペルトン水車とは

ペルトン水車は、部分負荷運転での効率低下が小さく、フランシス水車は、部分負荷運転での効率低下が大きくなります。
フランシス水車は、低負荷時に水車効率が著しく低下するので、可能な限り定格出力で運転することが望ましく、ペルトン水車は部分負荷運転時の効率低下が小さいことが特徴です。

 

水車の調速機

水車の調速機は、ペルトン水車ではニードル弁フランシス水車ではガイドベーンの開度を調整して出力を制御します。

調速機は水車の回転速度および出力を調整する装置のことで、ガバナともいいます。

ペルトン水車ではニードル弁、フランシス水車ではガイドベーンの開度を調整するすることで、発電機を系統に並列するまでの間は、水車の回転速度を制御し、発電機が系統に並列したあとは出力や周波数を調整します。

また事故などによって水車の負荷が急に遮断された場合は、ガイドベーンまたはデフレクタを使用して回転速度の異常な上昇を防ぎます

周波数は水車の回転速度に比例します。また、発電機で作られる電力は可能な限り電圧や周波数が安定したものでなくてはなりません。

複数の発電機を並列運転する場合は、それぞれの電圧・位相・周波数を一致させる必要があります。調速機は電圧・位相・周波数を一致させるための役割を果たします。

調速機の負荷が変動した時(出力が変化したとき)、その出力の変化と回転速度の変化の比速度調停率といいます。

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