(57)【要約】【課題】発電機の過速度を従来よりも確実に防止する。【解決手段】タービンＸによって駆動される発電機Ｙが過速度状態に至ることを防止する装置であって、過速度防止用負荷２と、該過速度防止用負荷２と発電機Ｙの出力との間に設けられた電力スイッチ１と、発電機Ｙの回転速度が所定のしきい値を超えると、電力スイッチ１を閉状態に移行させる制御装置３とを具備する。【選択図】図１
2010207037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の駆動源によって駆動される発電機が過速度状態に至ることを防止する方法であって、
発電機の出力を別途用意された過速度防止用負荷に接続することによって発電機の回転速度の上昇を抑制することを特徴とする過速度防止方法。
【請求項２】
発電機から出力される交流電力の周波数あるいは電圧をモニタすることによって発電機の回転速度を検出し、当該検出の結果に基づいて発電機の出力を過速度防止用負荷に接続することを特徴とする請求項１記載の過速度防止方法。
【請求項３】
負荷量が異なる複数の過速度防止用負荷を用意し、発電機の回転速度が所定のしきい値を超えると、軽い方の負荷量の過速度防止用負荷から発電機の出力に順次接続することを特徴とする請求項１または２記載の過速度防止方法。
【請求項４】
所定の駆動源によって駆動される発電機が過速度状態に至ることを防止する装置であって、
過速度防止用負荷と、
該過速度防止用負荷と発電機の出力との間に設けられた電力スイッチと、
発電機の回転速度が所定のしきい値を超えると、電力スイッチを閉状態に移行させる制御装置と
を具備することを特徴とする過速度防止装置。
【請求項５】
制御装置は、発電機から出力される交流電力の周波数あるいは電圧に基づいて発電機の回転速度を検出することを特徴とする請求項４記載の過速度防止装置。
【請求項６】
負荷量が異なる複数の過速度防止用負荷と、
各過速度防止用負荷に対応した複数の電力スイッチとを備え、
制御装置は、発電機の回転速度が所定のしきい値を超えると、軽い方の負荷量の過速度防止用負荷から発電機の出力に順次接続するように各電力スイッチを制御することを特徴とする請求項４または５記載の過速度防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機が過剰な回転速度に至ることを防止する過速度防止方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、タービン発電機における過速度を防止する技術として、蒸気タービンによって駆動される一次軸発電機の軸速度または軸加速度が規定値を超えると、タービン発電機への蒸気の供給を加減する蒸気加減弁を全閉状態とするものが開示されている。すなわち、この従来技術は、一次軸発電機（保護対象発電機）を回転駆動する蒸気タービン（動力源）への蒸気（駆動ガス）の供給を遮断することによって、保護対象発電機が過剰な回転速度に至ることを防止するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−０３６１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば比較的小型な蒸気タービンは、大型の蒸気タービンよりも回転運動における慣性が小さいため、上述したように蒸気の供給を遮断しても過速度状態に至る場合がある。すなわち、上記従来技術は、慣性が比較的小さな蒸気タービンについては確実な過速度防止技術ではない。したがって、慣性の大小を問わず発電機の過速度をより確実に防止し得る技術の開発が切望されている。確実な過速度防止技術は、発電機の安定運用の面で欠くことのできない基礎技術である。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、発電機の過速度を従来よりも確実に防止することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、過速度防止方法に係る第１の解決手段として、所定の駆動源によって駆動される発電機が過速度状態に至ることを防止する方法であって、発電機の出力を別途用意された過速度防止用負荷に接続することによって発電機の回転速度の上昇を抑制する、という手段を採用する。
【０００７】
過速度防止方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、発電機から出力される交流電力の周波数あるいは電圧をモニタすることによって発電機の回転速度を検出し、当該検出の結果に基づいて発電機の出力を過速度防止用負荷に接続する、という手段を採用する。
【０００８】
過速度防止方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、負荷量が異なる複数の過速度防止用負荷を用意し、発電機の回転速度が所定のしきい値を超えると、軽い方の負荷量の過速度防止用負荷から発電機の出力に順次接続する、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、過速度防止装置に係る第１の解決手段として、所定の駆動源によって駆動される発電機が過速度状態に至ることを防止する装置であって、過速度防止用負荷と、該過速度防止用負荷と発電機の出力との間に設けられた電力スイッチと、発電機の回転速度が所定のしきい値を超えると、電力スイッチを閉状態に移行させる制御装置とを具備する、という手段を採用する。
【００１０】
過速度防止装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、制御装置は、発電機から出力される交流電力の周波数あるいは電圧に基づいて発電機の回転速度を検出する、という手段を採用する。
【００１１】
過速度防止装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、負荷量が異なる複数の過速度防止用負荷と、各過速度防止用負荷に対応した複数の電力スイッチとを備え、制御装置は、発電機の回転速度が所定のしきい値を超えると、軽い方の負荷量の過速度防止用負荷から発電機の出力に順次接続するように各電力スイッチを制御する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発電機の出力を通常負荷とは異なる別途用意された過速度防止用負荷に接続することによって発電機の回転速度の上昇を抑制するので、従来の蒸気タービン（動力源）への蒸気（駆動ガス）の供給を遮断する方法よりも速やかに発電機の回転速度の上昇を抑制することができる。すなわち、本願発明によれば、従来技術よりも応答性良く発電機の回転速度の上昇を抑制することができるので、発電機が過剰な回転速度に至ることを従来よりも確実に防止することができる。
したがって、本発明によれば、例えば比較的小型で慣性の小さな発電機についても過速度に至ることを従来技術よりも確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る過速度防止装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る過速度防止装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係る過速度防止装置の動作を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、上記図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１において、符号１は電力スイッチ、２は過速度防止用負荷、３は制御装置、Ｘはタービン、Ｙは発電機、Ｚはバルブ、Ｌは電力負荷である。これら各構成要素のうち、本実施形態に係る過速度防止装置は、電力スイッチ１、過速度防止用負荷２、制御装置３及びバルブＺいよって構成されている。
【００１５】
タービンＸは、発電機Ｙと軸結合しており、バルブＺを介して外部から供給される駆動ガスの運動エネルギーによって回転力を発生させ、当該回転力によって発電機Ｙを回転駆動する駆動源である。上記駆動ガスは、例えば水蒸気や燃焼ガス等である。
【００１６】
バルブＺは、駆動ガス供給源（図示略）とタービンＸとの間に設けられており、駆動ガス供給源からタービンＸに供給される駆動ガスの供給量を調節する制御弁である。このようなバルブＺは、通常は発電機Ｙの動作を制御する発電制御装置（図示略）によって制御されるが、緊急時には本過速度防止装置を構成する制御装置３によって制御される。すなわち、バルブＺは、緊急時に制御装置３から入力されるバルブ閉指令信号に基づいて開口度が規定される。
【００１７】
発電機Ｙは、出力端が電力負荷Ｌに接続された発電装置である。この発電機Ｙは、電力負荷Ｌが需要する電力、つまり図示するようにＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相交流電力を発生して電力負荷Ｌに供給する。発電機Ｙは、例えば同期発電機であり、タービンＸに軸結合するロータの回転に同期した三相交流電力を発生して電力負荷Ｌに供給する。電力負荷Ｌは、上記発電機Ｙから供給される三相交流電力によって作動する装置である。タービンＸ及び発電機Ｙが例えば工場内に設備されている場合、電力負荷Ｌは、工場内に設備された各種の電気機器である。
【００１８】
電力スイッチ１は、上記発電機Ｙの出力端と過速度防止用負荷２との間に設けられた開閉器である。この電力スイッチ１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各出力端に対応して設けられており、発電機Ｙから出力される三相交流電力の過速度防止用負荷２への供給をＯＮ／ＯＦＦする。このような電力スイッチ１は、例えば電力用スイッチングトランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴあるいはＩＧＢＴ等）やサイリスタであり、制御装置３によって開閉動作が制御される。過速度防止用負荷２は、電力スイッチ１を介して発電機Ｙから供給される三相交流電力を消費する電力消費装置である。過速度防止用負荷２は、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相に対応して設けられた抵抗器からなる。
【００１９】
ここで、過速度防止用負荷２は、例えば各相について抵抗値（負荷量）が異なる２つの抵抗器から構成されており、よって合計６つの抵抗器から構成されている。このような過速度防止用負荷２の構成に対応し、電力スイッチ１は、各相について２つの電力用スイッチングトランジスタやサイリスタによって構成されている。
【００２０】
このように構成された電力スイッチ１は、制御装置３から入力される負荷投入指令信号に応じて抵抗値が小さい（負荷量が重い）抵抗器あるいは抵抗値が大きい（負荷量が軽い）抵抗器を択一的に発電機Ｙの出力端に接続する。以下の説明では、抵抗値が大きい（負荷量が軽い）抵抗器を第１負荷といい、抵抗値が小さい（負荷量が重い）方の抵抗器を第２負荷という。
【００２１】
制御装置３は、発電機Ｙから出力される三相交流電力におけるＵ相の周波数あるいは／及び電圧をモニタすることにより発電機Ｙの回転状態を検出し、この検出結果に基づいて負荷投入指令信号を生成することにより電力スイッチ１を制御する。三相交流電力の周波数及び電圧は周知のように発電機Ｙの回転速度に比例した物理量であり、よって三相交流電力の周波数あるいは／及び電圧をモニタすることによって発電機Ｙの回転速度を確実に検出することができる。また、三相交流電力の周波数あるいは電圧の何れか一方をモニタして回転速度を検出する場合より周波数及び電圧の両方をモニタした方が精度良く発電機Ｙの回転速度を検出することができる。
【００２２】
この制御装置３は、例えば発電機Ｙの回転状態として検出した回転速度が所定のしきい値（第１しきい値、第２しきい値）を超えると、電力スイッチ１を開状態から閉状態に移行させることにより、発電機Ｙの出力端に過速度防止用負荷２を接続させる。なお、このような制御装置３の詳細については、以下に本過速度防止装置の動作として説明する。
【００２３】
次に、このように構成された本過速度防止装置の動作について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。
【００２４】
通常運転では、発電制御装置によってバルブＺが制御されることによりタービンＸの回転、つまり発電機Ｙの回転状態が規定される。すなわち、通常運転では、電力負荷Ｌの需用電力の変動に応じてバルブＺの開口度が調節されることにより、発電機Ｙの回転状態が変動する。
【００２５】
図３に示すように、発電機Ｙの回転速度には、正常速度域と過速度域とがある。正常速度域は、発電機Ｙが正常動作し得る回転範囲であり、過速度域は、発電機Ｙが正常動作し得ない高速回転範囲である。発電機Ｙは、過速度域に至ると、つまり過速度の下限値（境界速度）を超えると、故障に至る場合があるので、正常速度域で運転させる必要がある。
【００２６】
本過速度防止装置は、発電機Ｙを正常速度域のみで運転させるために、以下に説明するように電力スイッチ１及びバルブＺを作動させる。すなわち、制御装置３は、発電機Ｙから入力される三相交流電力から検出される発電機Ｙの回転速度が図３に示すように徐々に上昇し、時刻ｔ1において第１しきい値を超えると（ステップＳ1）、第１負荷の接続を指示する負荷投入指令信号を電力スイッチ１に出力する（ステップＳ2）。
【００２７】
発電機Ｙの全体負荷は、上記第１負荷の分だけ重くなるので、この第１負荷の分だけ発電機Ｙのロータとステータとの間にブレーキ力が発生して発電機Ｙの回転速度の上昇率は抑制される。すなわち、発電機Ｙの回転速度の上昇は、図３に示すように若干抑制されるが、未だ上昇傾向にあり、最終的に過速度域に到達する虞がある。
【００２８】
制御装置３は、上述した第１負荷の接続の後、発電機Ｙの回転速度が図３に示すように時刻ｔ2において上記第１しきい値よりも大きな第２しきい値を超えると（ステップＳ3）、第１負荷に代えて第２負荷の接続を指示する負荷投入指令信号を電力スイッチ１に出力する（ステップＳ4）。この第２負荷の接続の結果、発電機Ｙの回転速度は、上昇傾向から減少傾向に変化し、過速度域に至ることが確実に防止される。
【００２９】
そして、制御装置３は、第２しきい値を超えるような異常速度に至った発電機Ｙの運転を完全に停止させるべく、バルブＺの全閉を指示するバルブ閉指令信号をバルブＺに出力する（ステップＳ5）。この結果、バルブＺは全閉状態に移行し、タービンＸ及び発電機Ｙが完全停止する。
【００３０】
このように、第１負荷及び第２負荷のように重い負荷を段階的に発電機Ｙの出力端に接続することによって、負荷量が重い方の第２負荷をいきなり接続するような急停止による発電機Ｙの損傷を最小限にしつつ、発電機Ｙの回転速度が過速度域に至ることを確実に防止することができる。
【００３１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、第１負荷及び第２負荷を設けると共に２つのしきい値、つまり第１しきい値と当該第１しきい値よりも大きな第２しきい値を用いて電力スイッチ１を制御するようにしたが、本発明はこれに限定されない。第１負荷あるいは第２負荷の何れか一方のみを設け、１つのしきい値によって電力スイッチ１の開閉を制御するようにしても良い。また、さらに多くの負荷を備え、２つのしきい値よりもさらに多くのしきい値を用いて順次大きな負荷を段階的に発電機Ｙの出力端に接続するようにしても良い。
【００３２】
（２）上記実施形態では、三相交流電力に基づいて発電機Ｙの回転速度を検出するようにしたが、本発明はこれに限定されない。回転速度に代えて発電機Ｙの回転数を検出するようにし、この回転数に基づいて電力スイッチ１を制御するようにしても良い。
【００３３】
（３）また、発電機Ｙの回転速度の検出に加えて回転加速度を検出することにより、回転加速度に応じて第１負荷あるいは第２負荷の何れを先に発電機Ｙの出力端に接続するかを決定しても良い。例えば、回転加速度が第１しきい値を超えた場合において回転加速度が極端に大きい場合には、発電機Ｙの回転速度が短時間で過速度域に至ることが発生し得るので、このような場合には第１負荷を接続するのではなく、第２負荷を接続するようにすることが考えられる。
【００３４】
（４）上記実施形態では、図２のフローチャートに示されているように、第１負荷を発電機Ｙの出力端に接続した後、発電機Ｙの回転速度が第２しきい値を超えない場合には、バルブＺが全閉状態に移行しないようにしたが、ステップＳ3の判断が「Ｎｏ」の場合には、引き続いてステップＳ5の処理を行うように変更することにより、発電機Ｙの回転速度が第１しきい値を超えなたら、タービンＸ及び発電機Ｙおｗ速やかに完全停止させるようにしても良い。
【００３５】
（５）上記実施形態では、Ｕ相のみの周波数あるいは／及び電圧をモニタするようにしたが、全相の周波数あるいは／及び電圧をモニタすることにより発電機Ｙの回転状態の検出に冗長性を持たせるようにしても良い。
（６）さらに、上記実施形態では、三相交流電力を出力する発電機Ｙについて説明したが、保護対象となる発電機はこれに限定されない。単相あるいは三相よりも多相の電力を出力する発電機にも本願発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１…電力スイッチ、２…過速度防止用負荷（第１負荷、第２負荷）、３…制御装置、Ｘ…タービン、Ｙ…発電機、Ｚ…バルブ、Ｌ…電力負荷
【図１】
2010207037.tif 000003
【図２】
2010207037.tif 000004
【図３】
2010207037.tif 000005