JP2006340524A

JP2006340524A - 自励式発電機励磁装置

Info

Publication number: JP2006340524A
Application number: JP2005163423A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Katayama; 幸弘片山; Masashi Sugiyama; 政司杉山; Toshiya Morita; 俊也守田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】
サイリスタ自励式発電機励磁装置をリプレースする場合、タービン建屋の空調設備の改造の必要のない自励式発電機励磁装置を提供することにある。
【解決手段】
タービン建屋内に設置される発電プラントの発電機１と、発電機１と発電機主回路用相分離母線２により接続される主変圧器２０と、発電機主回路用相分離母線２から分岐される励磁電源用相分離母線４により接続される励磁電源変圧器３と、励磁電源変圧器３に接続されたＡＣバスダクト５により順次接続されるサイリスタ６，界磁遮断器１６及び発電機１の界磁巻線７と、励磁電源変圧器３がタービン建屋内に設置される水冷式のガス変圧器であって、ガス変圧器と接続されガス変圧器内を循環するガスを冷却する冷却器１４と、冷却器１４の水路をタービン建屋内の機器を冷却するためのタービン補機冷却水系の冷却水路１５から分岐させた。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電プラントに設置されている自励式発電機励磁装置に関する。

発電プラントの発電機励磁装置には、交流励磁方式，ブラシレス励磁方式，直流励磁方式，サイリスタ等の交直変換装置を用いた自励式励磁方式等がある。サイリスタ自励式発電機励磁装置は、発電機の界磁電流を直接制御するため、応答性に優れている。又、交流若しくは直流励磁方式のように励磁機を発電機軸に直結する必要がないので、振動などの機械的な問題に対しても有利であり、近年では、発電機励磁装置としてサイリスタ自励式発電機励磁装置が採用される場合が多い。

発電プラントのサイリスタ自励式発電機励磁装置では、発電機を励磁するのに必要な電力は、発電機に接続されている発電機主回路用相分離母線から分岐した励磁電源用相分離母線に接続される励磁電源変圧器からＡＣバスダクト，サイリスタ，界磁遮断器を経由して発電機の界磁巻線に供給される。発電機が発生する電圧を励磁電源変圧器で半導体素子であるサイリスタの入力に適切な電圧に変換し、サイリスタで交流電源を発電機の励磁に必要な直流電源に変換している。

プラント出力の大きい火力，原子力発電プラントでは、プラント停止等が生じると、送電系統に与える影響が大きい。送電系統の動揺による発電機の不要停止をさけるため、発電機励磁装置の頂上電圧を高く設定して、送電系統の安定度向上を図っている。サイリスタ自励式発電機励磁装置は、他の励磁方式と比較して頂上電圧をより高くすることができるが、頂上電圧を高くすると、励磁電源変圧器の容量を大きくしなければならなく、近年、サイリスタ自励式発電機励磁装置の励磁電源変圧器の容量が増大している。

一般的に、変圧器の容量が約５０００ｋＶＡを超えると、変圧器の冷却に可燃性の鉱物油を使用した油入り変圧器となる。しかし、原子力発電所の発電用軽水炉原子炉施設の火災防護に関する審査指針では、危険物に該当する油等は、安全機能を有する構築物，系統及び機器を設置する区域外に設けるよう定められており、油が封入された励磁電源変圧器を発電機が設置されているタービン建屋内に設置することはできなかった。そのため、タービン建屋内の発電機主回路用相分離母線及び発電機とタービン建屋外に設置される励磁電源変圧器を接続する励磁電源用相分離母線と、ＡＣバスダクトが長くなっていた。

又、交流励磁機方式，ブラシレス励磁方式，直流励磁機方式の発電機励磁装置を用いた既設の発電プラントでは、より能力の高いサイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースするケースが多くなってきている。

又、タービン建屋内に水冷式の励磁電源変圧器を設置することが考えられる。内部に冷却水を循環させて変圧器を直接冷却する水冷式変圧器では、冷却水には導電率の低い純水を使用する必要がある。近年の大容量の発電機では、界磁巻線が収納される回転子を水素で、発生した電流が流れる固定子巻線を水で冷却するのが一般的であり、固定子巻線用の水冷装置が設置されている。固定子巻線用の水冷装置は、固定子冷却水貯水槽，固定子冷却水ポンプ，固定子冷却水冷却器で構成され、固定子巻線を冷却した冷却水は、固定子冷却水冷却器にて、タービン補機冷却水系の冷却水により冷却される。固定子巻線の冷却水には絶縁等に考慮し、純水が使用されており、この純水を励磁電源変圧器の冷却水に使用する場合もある。

又、〔特許文献１〕には、励磁電源変圧器に導ガス変圧器を用いることにより、タービン建屋内に励磁電源変圧器を設置することが記載されている。

特開２００２−１９１１９３号公報

油が封入された励磁電源変圧器を用いた従来の技術では、励磁電源変圧器が屋外に設置されるため、主回路用相分離母線と励磁電源変圧器を接続する励磁電源用相分離母線と励磁電源変圧器とサイリスタを接続するＡＣバスダクトが長くなるという問題がある。

又、交流励磁方式，ブラシレス励磁方式，直流励磁機方式の発電機励磁装置をサイリスタ励磁方式にリプレースする場合、励磁電源変圧器の追加が必要であるが、油入り変圧器を使用する場合は、発電機が設置されるタービン建屋内に励磁電源変圧器を設置できないため、屋外配置となり、屋外に励磁電源変圧器のスペースの確保が必要であり、励磁電源用相分離母線とＡＣバスダクトが長くなり、屋外に設置される励磁電源変圧器とこれらの母線を接続するために、タービン建屋を加工する必要が生じる等の問題があった。

又励磁電源変圧器に水冷式変圧器を使用し、タービン建屋内に励磁電源変圧器を設置する場合は、変圧器の冷却水源として発電機の固定子冷却水を使用する必要があり、保守性，信頼性の点において空気，ガス等を使用した他の冷却方式と比較して劣る上、サイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合には、固定子巻線水冷装置の改造が必要になる等の問題があった。

又、〔特許文献１〕に記載の従来の技術では、励磁電源変圧器にガス変圧器を用いているため、変圧器内を循環するガスを空冷する必要があり、励磁電源変圧器で発生した熱は、タービン建屋内に放熱されるため、発電機励磁装置をサイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合には、タービン建屋の空調設備の追加，設備容量の増加が必要となる問題があった。

本発明の第１の目的は、励磁電源変圧器をタービン建屋内に設置することにより、励磁電源用相分離母線、ＡＣバスダクトの長さを低減させた自励式発電機励磁装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、タービン補機冷却水系の冷却水を利用することにより、励磁電源変圧器の水冷装置を改造する必要が無い自励式発電機励磁装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、サイリスタ自励式発電機励磁装置をリプレースする場合、タービン建屋の空調設備の改造の必要のない自励式発電機励磁装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の自励式発電機励磁装置は、発電プラントのサイリスタ自励式発電機励磁装置において、励磁電源変圧器に水冷式のガス変圧器，乾式の水冷式変圧器若しくは難燃性材料を用いた水冷式変圧器を適用してタービン建屋内に設置し、変圧器内を循環するガス，空気或いは難燃性材料を冷却するための冷却器を設け、該冷却器にタービン補機冷却水系の冷却水を流す冷却水路を接続したものである。

又、発電機の下方に発電機主回路用相分離母線を設置し、発電機主回路用相分離母線の下方に励磁電源変圧器，冷却器を設置し、励磁電源変圧器とサイリスタをＡＣバスダクトで、サイリスタと発電機を垂直方向のＤＣ母線で、励磁電源変圧器と発電機主回路相分離母線を垂直方向の励磁電源用相分離母線でそれぞれ接続したものである。

本発明によれば、発電プラントのサイリスタ自励式発電機励磁装置において、励磁電源変圧器の水冷装置を追加することなく、タービン建屋内に設置することが可能となり、励磁電源用相分離母線、ＡＣバスダクトの長さを低減した自励式発電機励磁装置を提供することができる。

又、励磁電源変圧器で発生する熱をタービン補機冷却水系によりタービン建屋外に放出するため、サイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合に、タービン建屋内の空調設備の追加等を行うことなくリプレースすることが可能となる。

本発明の一実施例を図１から図３を用いて説明する。図１は、本実施例である発電プラントのサイリスタ自励式発電機励磁装置の構成図、図２はタービン建屋内の機器の配置を示す縦断面図である。本実施例では、原子力発電プラントを例にとり説明する。

図１，図２に示すように、タービン建屋内の２階に設置されたタービン２１には２階に設置された発電機１が接続されており、原子炉（図示せず）で発生した蒸気がタービン
２１に供給される。供給された蒸気によってタービン２１が回転し、タービン２１に接続された発電機１の回転子が回転する。この時、回転子内の界磁巻線７にＤＣ母線２２を介して直流電源が供給され、発電機１の固定子巻線９に誘導起電力が発生することによって発電される。発電された電力は、発電機１に接続されている発電機主回路用相分離母線２によって主変圧器２０を介して開閉所へ送電される。主変圧器２０では、発電機１で発電された電力を送電電圧に昇圧する。

発電機主回路用相分離母線２には、励磁電源用相分離母線４が接続され、励磁電源用相分離母線４には励磁電源変圧器３，ＡＣバスダクト５，サイリスタ６，界磁遮断器１６が順次接続されており、界磁遮断器１６は界磁巻線７に接続されている。励磁電源変圧器３では、発電機１で発電された電力をサイリスタ６へ供給する電圧に降圧する。

又、発電機主回路用相分離母線２に接続された計器用変圧器１７を介して自動電圧調整装置８に接続され、発電機主回路用相分離母線２の電流を計測するための計測用変流器
１８の出力側が自動電圧調整装置８に接続されている。自動電圧調整装置８はサイリスタ６に接続されている。サイリスタ６は、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）８により制御される。

励磁電源用相分離母線４，励磁電源変圧器３，ＡＣバスダクト５，サイリスタ６，界磁遮断器１６，計器用変圧器１７，自動電圧調整装置８は、タービン建屋内に設置されている。励磁電源変圧器３は、絶縁及び冷却をするためＳＦ₆(六フッ化硫黄) 等の絶縁ガスを変圧器内部に封入したガス変圧器であって、変圧器内部を循環したガスを水冷する冷却器１４が設けられている。

タービン建屋内には、発電機１の固定子巻線９を冷却するための水循環管路が設置されており、固定子冷却水用の冷却器１２から固定子巻線９に設けられた冷却路に冷却水が供給され、固定子巻線９の冷却路の出口側には冷却水の貯水槽１０，冷却水用のポンプ１１が順次接続され、固定子巻線９を冷却水が冷却器１２に戻るようになっている。この水循環管路を流れる水は、発電機１の固定子巻線９に設けられた冷却路を流れるので、導電率を管理する必要があり、純水が用いられる。

冷却器１２には、冷却器１２を流れる固定子巻線冷却用の冷却水を冷却するために、第２の冷却水用の水路１３が設けられている。この水路１３の冷却水は、タービン補機，給復水系のポンプの軸受け等を冷却するためにも使用される。

励磁電源変圧器３内部を循環したガスは、タービン建屋内に設置される冷却器１４に送られ冷却器１４にて冷却される。冷却器１４を流れる水は導電率が管理された純水を用いる必要はなく、水路１３の冷却水と同等の品質のものでよい。冷却器１４は、冷却水路
１５により水路１３と接続されており、水路１３から分岐されて冷却水が冷却器１４に供給される。

励磁電源変圧器３を冷却したガスは冷却器１４により冷却される。この構成により、タービン建屋内に励磁電源変圧器３を設置することが可能となり、変圧器を間接的に水冷するので、冷却水に導電率が管理された純水を使用する必要がなくなり、保守，信頼性を向上させることが可能となる。又、励磁電源変圧器３で発生する熱をタービン補機冷却水系によりタービン建屋外に放出することができ、サイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合に、タービン建屋内の空調設備の追加等を行う必要がない。

図２に示すように、タービン建屋内の２階に設置された発電機１の下方の１階にはサイリスタ６，励磁電源変圧器３，冷却器１４，冷却器１２が設置されている。発電機１の下方で励磁電源変圧器３等の上部には、発電機主回路用相分離母線２が設置され、タービン建屋の外に設置された主変圧器２０に接続されている。サイリスタ６と発電機１は垂直に立ち上げられたＤＣ母線２２で接続され、励磁電源変圧器３とサイリスタ６とは水平方向のＡＣバスダクト５で接続されている。励磁電源変圧器３は、発電機主回路用相分離母線２と垂直方向の励磁電源用相分離母線４で接続されている。冷却器１２，１４は、１階又は地中に設置された水路１３にそれぞれ接続され、水路１３は、タービン補機２３等に接続されている。

このように、発電機１の下方に設置された発電機主回路用相分離母線２の下部に、励磁電源変圧器３，ＡＣバスダクト５を配置できるため、ＡＣバスダクト５及びＤＣ母線２２の長さを短くでき、励磁電源用相分離母線４の長さも短くできる。又、交流励磁方式，ブラシレス励磁方式，直流励磁機方式の発電機励磁装置をサイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合に、タービン建屋の壁等の加工を行うことなく、簡単に励磁電源変圧器，励磁電源用相分離母線，ＡＣバスダクトを設置でき、容易にリプレースすることが可能となる。

タービン２１の回転によって発電機１の回転子が回転して発電された電力は、発電機主回路用相分離母線２によって主変圧器２０に送電される一方、発電機主回路用相分離母線２から分岐した励磁電源用相分離母線４を介して励磁電源変圧器３に送電され、回転子へ供給する電圧に降圧されてＡＣバスダクト５を介してサイリスタ６に供給される。計器用変圧器１７で計測された発電機主回路用相分離母線２の電圧、計測用変流器１８で計測された発電機主回路用相分離母線２の電流をフィードバックして自動電圧調整装置８は、サイリスタ６の出力が、設定された直流電流を供給するように制御し、界磁遮断器１６を経由して発電機１の界磁巻線７に供給する。

又、励磁電源変圧器３に難燃性材料を用いた水冷式励磁電源変圧器を適用することができる。この励磁電源変圧器は、変圧器内部を低粘度シリコーン液等の難燃性の液体を循環させ、絶縁と冷却を行う変圧器である。変圧器を冷却した液体は冷却器１４にて冷却される。低粘度シリコーン液等の難燃性の液体を用いた変圧器は、絶縁，冷却能力に優れるので、変圧器の大きさを小型化することが可能である。

なお、図１に示す例は、主変圧器２０の高圧側で同期並列する高圧同期方式の発電プラントを示しているが、図３に示すように、主変圧器２０と励磁電源用相分離母線４との間に発電機負荷開閉器２４を設け、主変圧器２０の低圧側で同期並列する低圧同期方式の発電プラントにも適用することができる。

この場合、図３に示すように、発電機主回路用相分離母線２に接続された発電機負荷開閉器２４よりも発電機１側に励磁電源用相分離母線４の接続点をタービン建屋内に設けることにより、励磁電源用相分離母線４を短くすることが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、発電プラントのサイリスタ自励式発電機励磁装置において、励磁電源変圧器の水冷装置を追加することなく、タービン建屋内に設置することが可能となり、励磁電源用相分離母線，ＡＣバスダクトの長さを低減した自励式発電機励磁装置を提供することができる。

又、交流励磁方式，ブラシレス励磁方式，直流励磁機方式の発電機励磁装置をサイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合に、励磁電源変圧器をタービン建屋内に設置できることから、タービン建屋内外のケーブルの取り合いを行う必要が生じないことから、タービン建屋の壁等の加工を行うことなく、リプレースすることが可能となる。

又、励磁電源変圧器を間接的に水冷却しているので、励磁電源変圧器の信頼性，保守性を向上させることが可能となる。

又、難燃性材料を用いた水冷式励磁電源変圧器を採用することにより、変圧器を小型化することが可能であり、サイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする場合、変圧器の配置の自由度を確保することができる。

本発明の一実施例である発電プラントのサイリスタ自励式発電機励磁装置の構成図である。タービン建屋内の機器の配置を示す縦断面図である。低圧同期方式の発電プラントに適用した例を示すサイリスタ自励式発電機励磁装置の構成図である。

符号の説明

１…発電機、２…発電機主回路用相分離母線、３…励磁電源変圧器、４…励磁電源用相分離母線、５…ＡＣバスダクト、６…サイリスタ、７…界磁巻線、８…自動電圧調整装置（ＡＶＲ）、９…固定子巻線、１０…貯水槽、１１…ポンプ、１２，１４…冷却器、１３…水路、１５…冷却水路、１６…界磁遮断器、１７…計器用変圧器、２０…主変圧器、
２１…タービン、２４…発電機負荷開閉器。

Claims

タービン建屋内に設置される発電プラントの発電機と、該発電機と発電機主回路用相分離母線により接続される主変圧器と、該発電機主回路用分離母線から分岐される励磁電源用相分離母線により接続される励磁電源変圧器と、該励磁電源変圧器に接続されたＡＣバスダクトにより順次接続されるサイリスタ、界磁遮断器及び前記発電機の界磁巻線と、前記励磁電源変圧器がタービン建屋内に設置される水冷式のガス変圧器であって、該ガス変圧器と接続されガス変圧器内を循環するガスを冷却する冷却器と、該冷却器の水路を前記タービン建屋内の機器を冷却するためのタービン補機冷却水系の冷却水路から分岐させた自励式発電機励磁装置。
タービン建屋内に設置される発電プラントの発電機と、該発電機と発電機主回路用相分離母線により接続される主変圧器と、該発電機主回路用分離母線から分岐される励磁電源用相分離母線により接続される励磁電源変圧器と、該励磁電源変圧器に接続されたＡＣバスダクトにより順次接続されるサイリスタ，界磁遮断器及び前記発電機の界磁巻線と、前記励磁電源変圧器がタービン建屋内に設置される変圧器内を循環する低粘度シリコーン液等の難燃性材料を水冷却する水冷却の変圧器であって、該変圧器と接続され変圧器内を循環する難燃性材料を冷却する冷却器と、該冷却器の水路を前記タービン建屋内の機器を冷却するためのタービン補機冷却水系の冷却水路から分岐させた自励式発電機励磁装置。
前記発電機の下方に発電機主回路用相分離母線が設置され、該発電機主回路用相分離母線の下方に前記励磁電源変圧器，冷却器を設置し、前記励磁電源変圧器とサイリスタを水平方向のＡＣバスダクトで、前記サイリスタと発電機を垂直方向のＤＣ母線で、前記励磁電源変圧器と発電機主回路相分離母線を垂直方向の励磁電源用相分離母線でそれぞれ接続した請求項１又は２に記載の自励式発電機励磁装置。
交流励磁方式，ブラシレス励磁方式もしくは直流励磁機方式の発電機励磁装置からサイリスタ自励式発電機励磁装置にリプレースする時は、前記励磁電源変圧器と、冷却器と、冷却器の水路を前記タービン建屋内の機器を冷却するためのタービン補機冷却水系の冷却水路から分岐させた冷却器の水路とを追加配置して請求項１から３のいずれかに記載の自励式発電機励磁装置。