発電機保護：故障タイプと必須保護装置の完全ガイド
発電機の故障タイプと保護装置
一般的な発電機故障
発電機故障は通常、内部故障と外部故障に分類されます。内部故障は発電機構成部品内部の問題によるもの、外部故障は異常運転条件と外部ネットワークの故障によるものです。
原動機（発電機を駆動するコンポーネント。ディーゼルエンジン、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン、水力タービンなど）と関連システムの故障については、通常機器の機械的設計段階で定義されるため、ここでは扱いません。
ただし、これらはトリッピング目的で発電機保護に統合される必要があります。
発電機内部故障のタイプ
内部故障は電気的または機械的のいずれかです。
1. 固定子故障
- 巻線過熱
- 巻線相間故障
- 巻線相-地絡故障
- 層間短絡（ターン間故障）
2. 回転子故障
- 地絡故障
- 巻線短絡（巻線形回転子）
- 過熱
3. 励磁消失/励磁喪失（交流発電機の界磁は、発電機内部の導体コイルで構成され、電源（励磁と呼ばれる）から電圧を受け取り、磁束を生成します。）
4. 発電機 Out-of-Step（脱調）
5. 電動機運転
6. ベアリング過熱と潤滑油圧力低下
7. 振動
固定子巻線過熱の原因は、持続的過負荷です。相間故障と地絡故障は絶縁破壊によるものです。
回転子巻線短絡は、励磁電流の増加と励磁電圧の低下を招きます。
回転子過熱は、以下の原因による固定子側の不平衡電流の結果です：
- 単極トリップ
- 固定子巻線故障
- 負相シーケンス
負相シーケンスと固定子電流の不平衡は、回転子と逆方向に回転する電機子磁束を生じ、回転子質量に渦電流を誘導します。
これらの渦電流は、系統周波数の2倍（50Hzまたは60Hz）であり、回転子周辺部に局所的な過熱を生じさせ、回転子固定ウェッジとリングの弱化を招く可能性があります。
発電機が励磁（界磁）を喪失すると、無効電力が電力系統から発電機へ流入します。発電機は同期を失い、同期速度以上で誘導発電機として運転します。
同期速度以上では、回転子が同期にロックしようとして振動し、過熱とその他の損傷を引き起こします。系統が安定している限り、無効電力（MVAr）は発電機に流入し続け、機械は有効電力（MW）を出力し続けます。
発電機の電動機運転は、タービンへの蒸気や水の供給が停止し、発電機が電気系統から電力を吸い込むときに発生します。
蒸気タービンでは、蒸気が冷却剤として働き、羽根を一定温度に維持します。蒸気供給の停止は羽根の過熱を引き起こします。一部の機種では温度上昇が非常に小さく、電動機運転が相当時間許容されることもあります。
水力タービンではキャビテーション（液体中に空洞が形成され即座に崩壊する現象 – 液体のない微小ゾーン（"気泡") – 液体に作用する力の結果）が発生します。
通常、液体が急激な圧力変化を受け、圧力が相対的に低い箇所で空洞が形成されるときに起こります。
キャビテーションは著しい摩耗原因です。高圧領域に進入する際、金属表面でキャビテーション気泡が崩壊すると、繰り返しの崩壊による周期的応力が生じ、金属の表面疲労を引き起こします。
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発電機外部故障のタイプ
外部電力系統故障と異常運転条件：
- 外部短絡故障
- 非同期発電機並列（非同期投入）
- Out-of-Step（極滑り/同期喪失）
- 過負荷
- 過速度
- 相不平衡と負相シーケンス
- 不足・過周波数
- 不足・過電圧
未除去または除去遅延の故障が系統側で発生すると、発電機が極滑りを開始したり、他の系統と「Out-of-Step」状態になったりします。
このような状態は望ましくありません。なぜなら、シャフトに有害な機械的応力が作用し、激しい電力振動が系統電圧に擾乱を与えるからです。
同期喪失は、外部短絡、重要な誘導負荷の投入、または励磁システムの故障によって引き起こされることがあります。
過速度は、全負荷の突然の遮断または大幅な負荷減少の結果です。
発電機保護装置
発電機は電力系統で最も高価な設備です。発電機で発生する故障に対するAC/DC発電機保護には、以下の装置が使用されます。
- 固定子地絡保護（固定子巻線相間・固定子地絡保護：差動リレーによる）
- 回転子地絡保護
- 固定子不平衡負荷保護（励磁消失保護と無効電力フロー変化）
- 固定子過熱保護（固定子巻線・ベアリング過熱保護 & 負相シーケンス保護）
- ボイラー燃焼停止保護
- 原動機・タービン故障保護（固定子相不平衡保護）
- 過速度・過励磁保護（過励磁による鉄心飽和）
- 絶縁劣化保護
- 潤滑油故障保護
- 低真空保護
- 振動保護 & 不足・過周波数保護
- 発電機バックアップ保護
- 回転子歪み保護 & 相補助始動保護
- 外部短絡故障保護
- 発電機固定部と回転部の差動膨張保護
- 逆電力保護と負の電力フロー保護
信頼性の高い保護リレー方式により、発電機故障を迅速に検出・除去し、損傷を最小限に抑え、修理時間を最短にすることが求められます。
固定子巻線相間故障保護は、以前のセクションで説明した原理による差動リレーで実施します。この保護装置は、巻線層間短絡故障を検出できません。
このタイプの故障が発生すると、相電圧が低下し、零相電圧が出現します。この電圧は、VTに接続された電圧リレー（ANSI/IEEE/IECコード 60）で検出されます。
固定子地絡故障保護は、固定子の接地方式に依存します。抵抗接地システムでは、中性点接続内の「リング型」CTに接続した過電流リレー、または抵抗端子の電圧リレーを使用できます。
正常健全状態では、抵抗に電流は流れず、端子の電圧はゼロです。
トランスを介した接地の場合、トランス二次側に接続された抵抗の電圧を監視する電圧リレーを使用します。
正常健全状態では、接地トランスに二次電圧が発生せず、リレーに電圧は印加されません。固定子地絡故障が発生すると、接地トランス二次端子間に電圧が発生し、電圧リレーが動作します。
図1に、固定子差動保護と地絡保護の典型的な接続を示します。
巻線形回転子巻線短絡故障は、過電流リレーで保護されます。
回転子巻線は地絡故障で損傷する可能性があります。
大型火力発電機の回転子/界磁巻線は非接地であるため、単一地絡では故障電流が発生しません。
しかし、単一地絡は、界磁・励磁システム全体の電位を上昇させ、界磁遮断器または主発電機遮断器の開放時、特に故障条件下で誘導される余分な電圧が、固定子過渡現象によって界磁巻線に余分な電圧を誘導し、界磁の地絡部分へのストレスを増大させる可能性があります。この余分な電圧が界磁巻線に第二の地絡を引き起こすことがあります。
第二の地絡は、鉄心の局所加熱を引き起こし、回転子を歪ませて危険なアンバランスを生じさせる可能性があります。
回転子地絡保護は、補助AC電圧を回転子に印加して絶縁を監視するリレー、または高抵抗と直列接続した電圧リレー（線形・非線形抵抗の組み合わせが現在の一般的手法）を回転子回路に跨がせ、その中心点を感度の高いリレーのコイル（ANSI/IEEE/IECコード 64）を介して接地することで提供されます。
現代では、線形と非線形抵抗を組み合わせた手法が推奨されています。
図2に回転子地絡保護の例を示します。
励磁消失保護は、無効電力フローの変化を検出するリレーを使用します。典型的な励磁消失保護スキームでは、オフセットMHO（インピーダンス）リレーを用いて発電機負荷インピーダンスを測定します。
オフセットMHO インピーダンスリレーは単相リレーで、発電機CTとVTから給電されます。励磁消失リレーは、負荷インピーダンスの値がリレーの動作特性内に入った場合に動作します。
タイムリレーを組み込み、進相無効電力状態が1秒間（典型値）持続した場合に機械をトリップさせます。
鉄心飽和を過励磁によって起動時と停止時に防止するため、過励磁保護（ANSI/IEEE/IECコード 59）が使用されます。
過励磁は以下の式で説明できます：
B = V / f
ここで、Bは磁束密度または磁気誘導または鉄心磁束（単位：テスラ – T）、Vは印加電圧（単位：ボルト – V）、fは周波数（単位：ヘルツ – Hz）です。
鉄心磁束を飽和点以下に維持するには、発電機電圧は周波数（または回転数）の上昇に合わせてのみ上昇させられます。
励磁が急速に増加しすぎた場合、この過励磁状態を検出し、界磁遮断器をトリップさせる必要があります。
過励磁保護スキームでは、ボルト/ヘルツ（V/Hz） リレーを使用します。
これらのリレーは直線特性を持ち、電圧/周波数が設定値を超えた場合に動作します。
固定子巻線とベアリングの過熱保護は、通常RTDとサーミスタで温度を監視して実施します。
固定子相不平衡保護には通常、定時限逆時間過電流リレーを使用し、回転子がこの過熱に耐えられる最大時間に合わせて設定します。
発電機負相シーケンス保護の機能は、固定子相電流の不平衡の結果として生じる過熱影響、特に回転子での過熱から機械を保護することです。
この保護は、CTを介して2相の電流を比較するリレーを使用します（図3参照）。
保護は、回転子がこの過熱に耐えられる最大時間に基づいて設定され、時間は式 K = I²t（ジュールの法則に基づく）で定義されます。
この条件の典型的なカーブは、原動機の種類によって異なり、メーカーによって示されます。
逆電力保護（ANSI/IEEE/IECコード 32）は、電力方向リレーを用いて発電機負荷を監視し、リレーは発電機CTとVTから給電されます（図4参照）。負の電力フローが検出されると動作します。
Out-of-Step保護は、発電機故障ではなく電力系統擾乱によって引き起こされる状態を検出します。この保護は、発電機が最初の極を滑らせた条件を検出し、発電機遮断器をトリップさせます。
タービンはトリップされません。これにより、系統擾乱が除去された後に再同期可能となります。
この保護は、励磁消失保護と補完的と見なせます。
Out-of-Step 状態は、発電機が全励磁状態にあるのに対し、過小励磁による同期喪失は発電機が無励磁状態にあるときに発生します。
Out-of-Step保護は、3台のインピーダンス測定リレーを使用します。これらのリレーは発電機CTとVTから給電され、発電機 負荷インピーダンスを測定し、3台のリレーが正しい順序で動作した場合に電力振動状態を検出し、高圧遮断器のトリップを開始します。
外部短絡故障には、過電流リレー（50; 50N; 51; 51N）を使用します。
不足・過周波数保護（ANSI/IEEE/IECコード 81）も、発電機故障ではなく系統擾乱を検出します。大規模な電力系統分離は、残存接続負荷に対して過剰または不足の発電電力をもたらす可能性があります。
前者の場合、過周波数、および過電圧の可能性が生じます。これは負荷需要の減少によるものです。このモードでの運転は、定格電力と約105%の定格電圧を超えない限り、過熱を生じません。
発電機制御は、発電機出力を負荷需要に一致させるよう速やかに調整すべきです。
発電不足の場合、接続負荷に対して過周波数は過大な負荷需要の結果です。
電圧低下により電圧調整器が励磁を増加させます。結果として、回転子と固定子の両方で過熱が発生する可能性があります。同時に、より多くの電力が要求されるのに、周波数低下により発電機の供給能力が低下します。
自動または手動の系統負荷遮断により、全面的な電力系統崩壊が発生する前に、負荷を接続発電に一致させるのが理想的です。
過・不足電圧リレー（ANSI/IEEE/IECコード 59と27）を使用して電圧を制御します。
相補助始動保護は、発電機が定格速度まで上昇中に故障が存在する状態を検出するために設けられます。発電機は、当然ながら負荷や故障状態のまま起動してはなりません。
これを防ぐため、保護スキームを用いて、周波数が60Hz系で52Hz未満、50Hz系で42Hz未満の場合のみ、低セット過電流リレーを投入します。
現在では、必要な保護機能をグループ化したIED（2.1節参照）が発電機保護で一般的に使用されています。
著者紹介：Manuel Bolotinha
- 電気工学ライセンシャート学位 – エネルギー・電力システム専攻（1974年 – リスボン大学 Instituto Superior Técnico）
- 電気・コンピュータ工学修士（2017年 – リスボン新大学 Faculdade de Ciências e Tecnologia）
- 変電所・電力システム上級コンサルタント；専門インストラクター
産業技術