JPS6149513B2

JPS6149513B2 -

Info

Publication number: JPS6149513B2
Application number: JP54066507A
Authority: JP
Inventors: Tomotake Nagafuji
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1979-05-29
Publication date: 1986-10-29
Also published as: JPS55160176A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ポンプまたはポンプ水車の調相運
転、ポンプ運転などの運転制御方法に係り、特に
ポンプ締切運転を速かに感知して主機を保護する
のに好適な水力機械の運転制御方法に関する。

（従来の技術）一般に、ポンプまたはポンプ水車においては、
ポンプ運転の起動、停止時は勿論のこと、電力係
統の周波数が低下した場合、ポンプ軸入力を低減
するため主弁を全閉してランナ周りの水面を押下
げ、ランナを空転させる調相運転または発電運転
へのポンプ運転からの移行時において、ポンプ充
水締切運転の状態が現出する。

この運転状態においては、脈動、振動等の面で
主機が非常に厳しい条件に置かれることになり、
またランナにより水に注入されたエネルギ（軸入
力）は熱エネルギに変えられて水温が上昇する。
昇温した水は、主弁が全閉されているので鉄管側
に放出されることなくランナ周りを循環し、締切
運転時間にほぼ比例して温度が上昇し、最終的に
は回転部と固定部とのシール面が接触して大事故
に至るおそれがある。

そこで従来は、締切運転後直ちに次の過程に移
行させたり、または完全締切運転を避けるために
規定回路よりかなり低い、回転数（70〜80％程
度）で入口弁を開けたりする等の手法が採られて
いる。

（従来技術の問題点）しかしながら、前記するように締切運転は種々
モードで起こり得るものであり、したがつて制御
方法も一様ではあり得ない。また、締切運転を検
出して直ちに主機を非常停止する方法も採り得る
が、系統容量の小さい発電所の場合には、系統へ
の影響を考えると必ずしも得策ではない。

（発明の目的）本発明はかかる現況に鑑み創案されたもので、
その目的とするところは、ポンプ運転から調相運
転または発電運転への移行を安全かつ確実に行な
うことができる水力機械の制御方法を提供するに
ある。

（発明の実施例）以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図において１はランナであり、ランナ１の
まわりには渦巻ケーシング２が配設されている。
渦巻ケーシング２には入口弁３を備えた水圧鉄管
が連接され、入口弁３の前後には、バイパス弁５
を有するバイパス管４が接続されている。

ランナ１には、水位検出器６を有する吸出し管
７が連設され、この吸出し管７には、給気弁８を
介して図示しない給気源が接続されているととも
に、吸出し管７はケーシングバイパス弁９を介し
て渦巻ケーシング２に接続されている。また渦巻
ケーシング２には圧力検出器１０が取付けられて
いる。

以上の構成において、ポンプ運転から調相運転
に移行する場合には、入口弁３全閉後、直ちにバ
イパス弁５が閉じられ、第２図に示すａの状態と
なつてポンプ締切運転となる。この状態において
は、電動機の軸入力Ｐは正常運転時より僅かに低
下し、渦巻ケーシング圧力H₁は最大値となる。
また、回転数Ｎは並列運転状態であるので一定値
を保つ。

次いで、給気弁８を開いて強制給気を行なう。
すると、ランナ１内の一部の水は空気に置換さ
れ、充水が分断されて、第１図に示すＡ点まで吸
出し管７の水位が低下しランナ１内のポンプ作用
が減殺されて、第２図に示すｂの状態となる。こ
の状態は水位検出器６によつて検出されて給気弁
８が閉じられる。この状態においては軸入力Ｐ、
渦巻ケーシング圧力H₁はかなり低下し、脈動、
振動も低下する。

この後、ランナ１の一部と渦巻ケーシング２と
に残存している水は、ケーシングバイパス弁９を
開くことにより吸出し管７に排出されていわゆる
調相運転状態となる。

以上の説明より、ポンプ運転から調相運転への
移行過程におけるポンプ締切運転の検出は、回転
速度Ｎが規定回転速度であること、入口弁３とバ
イパス弁５との両方が全閉であることおよび圧力
検出器１０が設定圧力以上であることまたは水位
検出器６の設定水位が設定値以上であることより
完全に行なうことができる。

なお、ここで、回転速度Ｎの検出を行つている
のは、通常の主機の起動または停止操作領域を後
述するタイマの設定値から除外し、より確実な主
機の保護を行うためである。

一例として、前述のポンプ運転から調相運転に
移行する過程において、第２図に示すａの運転状
態にあるとき、停止指令により主機を系統から解
列することが起り得る。その際、後述するタイマ
は作動状態にあり時間をカウントすることとな
る。いつぽう、解列によつてランナ１は充水中で
ポンプ締切運転状態のまま回転速度が漸減して停
止に到ることとなるが、水位検出器６の設定水位
は設定値以上であり、入口弁３とバイパス弁５は
全閉であるので、タイマは作動し続け、タイマの
設定直経過後非常停止の指令を発する不具合を生
じる。また、主機のポンプ締切運転特性から考察
すると、軸入力は回転速度の３乗に、脈動は回転
速度の２乗にほぼ比例する故、回転速度が低下す
れば、前述した温度上昇や脈動、振動は問題とな
らなくなる。したがつて、このような場合をタイ
マの設定値から除外することが運転制御上要求さ
れる。

ここで、回転速度が規定回転速度の80％となれ
ば軸入力は規定回転時の値に対しほぼ半減し、脈
動、振動も問題無い値となる。また、系統の周波
数変動による回転速度変動幅は数パーセント考慮
しておく必要がある。このため、規定回転速度の
90％を回転速度の設定値とすることが実用上もつ
とも適切である。

また、入口弁３のバイパス弁５の閉鎖時期を、
第２図におけるｂの状態に移行した場合、状態ａ
の完全締切運転を避けることができ、バイパス管
４を逃し配管としての効果を発揮することが判
る。

次に、第２図に示す制御方式を用いた場合、何
らかの原因により主機がａの締切運転で保持され
ることが起きたとしても直ちに主機を非常停止す
ることは得策ではない。すなわち、水面押下げに
はある程度の時間を要し、かつ吸出し高さや給気
圧によつてかなりの変動幅を有するため、制御が
非常に困難となるからである。そこで、以下に示
す方法によつてタイマの設定値を決定し、締切運
転を検出した後、タイマによつて主機を非常停止
することがより確実で安全な制御方法である。

ポンプ締切運転時で最も問題となるのは、水温
上昇により回転部が膨張し、固定部とのシール部
分が接触して焼付き等の事故が発生することであ
る。したがつて、これらの事故が起こらない程度
の水温上昇を算定し、これにより締切運転時間の
限界を以下の方法により求め、タイマをその値に
設定することが最も適切な制御方法である。

すなわち、軸入力をＰ（kw）、ランナ周りの充
水の体積をＶ（m³）、定常水温からの水温上昇限
度をΔｔ（℃）、水の熱当量をｃ（kw sec/m²
℃）およびポンプ締切運転限界時間をＴ（sec）
とした場合、Ｔ＝CV Δｔ／ｐ ……(1) の関係よりＴが求められる。なお、ランナ周りの
固定部の内接水面からの放散エネルギは量的には
僅かであり、また安全サイドの考えより省略して
ある。(1)式よりタイマの設定値が決まる。

第３図は、本発明に係る制御方法を適用した場
合水発電所の電気主回路を示すもので、図におい
て１１は主遮断器である。この主遮断器１１に
は、主変圧器１２および発電電動機１３が直列接
続されており、発電電動機１３にはポンプ水車１
４が直結されている。そして、発電電動機１３の
回転速度は継電器１５で検出され、この継電器１
５は、発電電動機１３の回転速度Ｎが設定値No
を越えた場合にその接点１５ａを閉動作し、設定
値No以下の場合は１５ａを開動作するように構
成されている。

接点１５ａは第４図に示すように水位検出用継
電器（図示せず）の接点１６、入口弁３およびバ
イパス弁５用開閉器（図示せず）の接点１７およ
び接点１５ａ，１６，１７がすべて閉の条件で動
作する補助継電器１８と直列に接続されており、
接点１６は、水面が第１図におけるＡまで低下し
ていない場合に閉路し、また接点１７は、主弁３
およびバイパス弁５が全閉している時のみ閉路す
るようになつている。そして、接点１５ａ，１
６，１７および補助継電器１８には、補助継電器
１８の接点１８ａおよびこれと直列接続され接点
１８ａが閉じるとにより動作するタイマ１９が並
列に接続されている。さらに接点１８ａおよびタ
イマ１９には、相互に直列接続されたタイマ１９
の接点１９ａおよび主遮断器１１の開閉用継電器
２１が並列接続され、接点１９ａには、通常停止
時または故障に閉となる回路２０が並列接続され
ている。

以上の構成において、接点１５ａ，１６，１７
が全て閉じることにより締切運転が検出され、補
助継電器１８によりタイマ１９がセツトされる。
しかしその接点１９ａは、設定時間以上締切運転
が接続されなければ閉動作せず、その間に第１図
におけるＡの位置に水面が押し下げられれば、停
止等の手段を用いることなく正常の運転に自動的
に復帰して適切な制御動作が行なわれる。

一方、締切運転が設定時間を越えた場合には、
接点１９ａが閉動作するとともに継電器２１が動
作し、遮断器１１が開放して主機は停止する。こ
の際、タイマ１９によつて異常温度上昇が充分保
護されるので、ランナ１が固定部と接触してラン
ナ１を破損する等の事故を防止することができ
る。

以上説明した本発明の実施例によれば以下の如
き効果を奏する。

(1) ランナのポンプ締切運転の継続による異常湿
度上昇を自動的に防止し、かつその制御方式に
よつて主機の運転に支障を来たすことを極力避
けることができる。

(2) ランナが固定部に接触する等の事故を未然に
防止することができる。

(3) 振動、脈動に対して主機を保護できるので、
水力機械の安全運転を保障することができる。

(4) 不必要な主機の停止を極力少なくすることに
より不利益の発生を抑制することができる。

なお、第４図において、接点１６を水位検出器
６と接続せず、圧力検出器１０と接続し、渦巻ケ
ーシング圧力が設定値を越えたときに接点１６が
閉動作するようにしても、ポンプ締切運転の検出
が前述の場合と同様に得られることは第２図に示
すH₁が締切運転時ピーク値をもつことから明ら
かである。

また、前述のようにバイパス弁５を入口弁３の
全閉時より遅らせて閉鎖すれば、ランナ１の内周
側水面押下げ過程（第２図ａ〜ｂ間）においてバ
イパス管４を逃し配管として利用でき、温度上
昇、脈動、振動にとつて好ましい運転が期待でき
る。このような制御を行う場合は第４図の接点１
７は入口弁３が全閉している時のみ閉路するよう
にし、バイパス弁５は別途の方法で制御すること
となり、ポンプ締切運転の検出信号からバイパス
弁５を除外する。

（発明の効果）以下本発明を好適な実施例に基づいて説明した
が、本発明によれば、ポンプ運転から調相運転ま
たは発電運転への移行を安全かつ確実に行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水力機械の断面図、第２図は締切運転
から調相運転への移行時の運転モードを示す時系
列図、第３図は揚水発電所の電器主回路の一例を
示す結線図、第４図は本発明の実施例を示す制御
回路図である。１……ランナ、２……渦巻ケーシング、３……
入口弁、５……バイパス弁、６……水位検出器、
７……吸出し管、１０……圧力検出器。

Claims

【特許請求の範囲】

１水圧鉄管に入口弁を配設すると共に入口弁の
前後にバイパス弁を有するバイパス管を接続し、
上記水圧鉄管に渦巻ケーシング、上・下のカバー
に囲まれたランナおよび吸出し管を順次連設して
水力機械を構成し、水力機械の主機が規定回転速
度の90％以上であること、上記入口弁およびバイ
パス弁が全閉であること、上記吸出し管の水位が
予め設定された水位以上あるいは渦巻ケーシング
の圧力が設定水圧以上であることの確認信号よ
り、上記主機がポンプ締切運転にあることを検出
し、タイマにより予め設定された時間遅れの後、
上記主機を非常停止することを特徴とする水力機
械の運転制御方法。