非常用発電機システム：信頼性の高い電力供給のための構造、設置、メンテナンス、配線

非常用発電機セットの概要

（著者：Manuel Bolotinha）

非常用発電機セットの導入

病院、空港、ショッピングモール、オフィスビルなどは、中圧（MV）および低圧（LV）配電網、さらには高圧（HV）送電網の故障による停電に対して、人命と財産の安全の観点から非常に敏感です。

停電が発生した際には、通信システム、非常照明、排煙ファン、消火用給水ポンプ、防犯設備、建物内照明、その他の重要な電気システムおよび機器（必須負荷またはクリティカル負荷と呼ばれる）が継続して運転できる必要があります。

この問題を解決する一般的な解決策は、低圧ディーゼル非常用発電機セットを設置することであり、その用途、特性、設置手順はIEC規格60034に準拠している必要があります。

非常用発電機の定格出力と中性点接地

低圧ディーゼル非常用発電機セットの定格出力は、ISO規格8528で定義されている待機、主力、連続の運転レジームによって異なります。

待機レジームでは、発電機セットが供給する利用可能電力は、正常電源喪失時の負荷値に応じて変動し、平均出力は非常用待機定格出力の70%です。このレジームの典型的な運転時間は年間200時間で、最大500時間/年です。

主力レジームでは、発電機セットが供給する利用可能電力は無制限の期間にわたり負荷値に応じて変動し、平均出力は主力定格出力の70%です。典型的なピーク需要は主力定格ekWの100%で、12時間ごとに最大1時間、10%の過負荷が緊急時に可能です。過負荷運転は年間25時間を超えないことが条件です。

連続レジームでは、負荷変動なしで無制限の時間出力が利用可能です。平均出力は連続定格出力の70～100%です。典型的なピーク需要は連続定格ekWの100%を運転時間の100%で維持します。

以上の定義から、同一の発電機セットでも運転レジームごとに異なる定格出力を持つことがわかります。待機レジームの定格出力が最も高く、次に主力レジーム、連続レジームの順に低くなります。

発電機セットの定格出力は、力率（cos Φ）= 0.8でkVAまたはkWで定義されます。また、系統周波数（50Hzまたは60Hz）も定義する必要があります。

表1に、同一メーカー・同一製造シリーズの発電機セットについて、運転レジーム別の定格出力（kVA）の例を示します（f = 50Hz）。

表1 – 運転レジーム別非常用発電機セット定格出力の例

発電機セットが電気的に供給する低圧網は独立しており不平衡負荷を持つため、交流発電機巻線の中性点は直接接地されます。この中性点接地方式は、それらのタイプの負荷に対する交流発電機の挙動を改善するためです。

非常用発電機の構造と構成部品

一般的な考慮事項

発電機セットの主要構成部品は以下の通りです（図1参照）：

• エンジン
• 交流発電機（オルタネータ）
• メイン組立/フレーム
• 始動用バッテリーと充電器
• 潤滑システム
• 冷却および排気システム（ラジエーター含む）
• 燃料システム
• 電圧調整器
• 排気配管とサイレンサー
• 制御・監視パネル

図1 – 発電機セットの主要構成部品

エンジン

エンジンはISO規格3046に準拠し、4サイクルの内燃機関で通常ディーゼル燃料を使用します（ガス燃料モデルもあります）。エンジン出力は交流発電機の定格出力に適合している必要があります。

エンジンの主要構成部品：

• 電子式速度調整器、通常変動±0.25%
• 加速制御および運転・停止レバー
• 標準スチールリングにより、交流発電機ケースのカップリングシステムへの剛性接続を確保
• フライホイールと弾性継手による交流発電機との連結

エンジンは、指定温度条件下でフル負荷で最低8時間始動・運転でき、その後1時間の10%過負荷に耐えられる必要があります。電気始動装置を備え、始動時間は10秒以内でなければなりません。

エンジン冷却は、空気または水の循環により密閉回路でラジエーターを使用して行います。エンジン始動性を向上させるため、オイル、水、または燃焼用空気の予熱システム（通常はヒーター）を設け、クランクケースグリースの温度上昇と連動させます。

交流発電機（オルタネータ）

交流発電機は、同期型、単相または三相、自己励磁、電圧調整付き、通風式であり、軸同軸タービンによる通風を行います。

交流発電機の主な特性：

• 定格電圧：230V（単相）；400/230V（三相）
• 定格周波数：50Hzまたは60Hz
• 定格出力（運転レジームによる – 第2節参照）
• 力率：通常0.8
• 絶縁クラス：通常H

交流発電機の絶縁クラスは、IEC規格60085に基づき、巻線が耐えられる最高温度を考慮して決定されます。温度は絶縁材料の劣化に寄与する主要因であることが多いためです。表2に交流発電機の絶縁クラスを示します。

表2 – 交流発電機の絶縁クラス

考慮すべきその他の交流発電機特性：

• ラジオ干渉抑制
• 高調波歪み：≤2%（無負荷時）；≤3.5%（平衡負荷時）
• 電圧調整：±1.5%（無負荷～全負荷変動、力率0.8～1、回転速度変動±4.5%の範囲）
• 定格電圧の3%まで電圧を3秒以内に回復可能（cos Φ = 0.8で全負荷が突発的に投入された場合）
• 定格電流の300%までの短絡電流を5秒間耐えられる（内部保護装置が動作するまで）

その他の構成部品とシステム

エンジンと交流発電機（および日量タンク）の組立フレームは、通常標準鋼材プロファイルを電気溶接で組み立て、防振支持を設置します。これらのプロファイルは、固有垂直振動数が約7Hzとなるよう計算されます。

始動用バッテリーは鉛蓄電池タイプで、バッテリー充電器に接続され、維持充電を保証します。通常制御・監視パネル内に設置されます。

排気配管にはサイレンサー（図2参照）と、エンジン排気口から出口配管までのフレキシブル接続が含まれます。サイレンサーと配管の両方を、ガラス繊維とアルミシートで断熱する必要があります。

図2 – 発電機セットの排気配管

燃料システムには、日量タンク（液面計、上限・下限レベルスイッチ付き）が含まれ、確立された運転レジームで定格フル負荷出力での所定運転時間を確保できる容量が必要です。

このシステムには、軽油貯蔵タンク、日量タンク用移送ポンプ（手動および電動）、必要な配管も含まれる場合があります。

制御・監視パネル

制御・監視パネルには以下の機器を設置します：

• 計測機器（電流計、電圧計、周波数計）
• 制御・監視機器：始動・停止押しボタン、オイルマニホールド、水温計
• 4ポジションの制御スイッチ：自動/手動/試験/停止中
• 発電機セット自動始動・停止システム
• 交流発電機保護用遮断器
• 監視ランプ
• エンジン非常停止システム
• バッテリー充電器（第3.4節参照）
• 発電機セットのすべての補助構成部品の制御・監視機器

非常用発電機セットの設置手順

発電機セットは通常屋内の専用室に設置され、吸気・排気グリルを備え、機器冷却に必要な風量を確保するよう計算されます。

排気グリルはラジエーターに面して設置し、発電機セット撤去時に容易に取り外せる構造とします。発電機セット冷却に必要な風量を確保できない場合は、ラジエーターをエンジンから分離設置する必要があります。

この場合、発電機セット冷却は遠心ポンプを用いた真水の密閉循環回路で行います。温度はサーモスタット制御され、放熱は一次回路に設置されたラジエーターとファンで行います。ラジエーターは低騒音タイプで、防振支持に取り付ける必要があります。

図3に上記の設置例を示します。

図3 – 分離ラジエーターを用いた発電機セット設置概略図

発電機セットの騒音レベルが騒音規制に照らして高すぎる場合、特に屋外設置の状況では、発電機セットをエンクロージャ（防音ボックス）内に設置する必要があります（図4参照）。

図4 – エンクロージャ内の発電機セット

非常用発電機セットのメンテナンス

第1節で述べた通り、発電機セットは特定電気設備の人命と財産の安全において重要な役割を果たすため、以下を含む正確なメンテナンスプログラムを確立することが重要です：

• 月1回または月2回、無負荷条件で4時間運転（必要時に確実に作動することを確認）
• 手動運転
• 系統電圧喪失時の発電機セット始動と自動投入切替スイッチの動作確認
• 目視点検
• 中性点およびすべての金属部品の接地接続確認
• オイルレベル確認
• バッテリー状態（目視点検、単セル電圧測定、電解液状態）

発電機始動・自動切替システム

発電機セットの始動は、受電系統に電圧低下または負相序電圧が発生した際に自動的に行われ、発電機セット制御・監視パネルに設置された自動制御システムを通じて実行されます。この自動制御システムは、系統電圧が正常に復帰した際の発電機セットの切離しと停止も行います。

上記の自動制御システムは、以下自動投入切替スイッチと呼ばれる自動切替システムを制御し、連続始動試行回数（3回以上）を保証し、試行間隔はバッテリー回復に必要な時間とします。

自動投入切替スイッチは、主受電盤に設置することが望ましいです。このスイッチは、系統電圧に障害が発生した際に必須負荷を発電機セット電源に切替え、状態が正常に復帰した際にそれらの負荷を系統電源に再切替えする機能を提供します。

自動投入切替スイッチは、以下の機器のうち2台で構成できます：

• 遮断器
• 負荷開閉器
• 電磁接触器

これらの機器には、系統と発電機セットの並列運転を防止するための機械的および電気的インターロックを装備する必要があります。