発電機回路遮断器（GCB）のグリッドにおける動作周期

発電機遮断器は、石炭火力、原子力、ガスタービン、複合サイクル、水力、揚水式発電所など、幅広い種類の発電所に適しています。また、発電機遮断器が欠けている既存の発電所の改修にも理想的です。

グリッドにおける一般回路遮断器（GCB）の利点

過去には、複数の比較的小さな発電機が共通のバスに接続されている多発電機ステーションで、発電機遮断器が一般的に使用されていました。しかし、発電機のサイズが急速に増大し、システムの故障電流レベルが上昇するにつれて、このタイプのスイッチギアの遮断能力はすぐに超えられました。その後、各発電機が独立した蒸気供給補助システムを持ち、ステップアップ変圧器と高圧側遮断器に直接接続されるユニット方式が採用されました。

ユニット接続と比較して、発電機遮断器を使用して発電機を端子電圧で切り替えることは、多くの利点があります：

• 簡素化された操作: 操作手順を簡素化し、発電機に関連する切り替え作業中の複雑さと人間の誤りの可能性を減らします。

• 強化された保護: 発電機だけでなく、主変圧器やユニット変圧器の保護も向上させ、これらの重要な部品を電気的な故障や過電流から守ります。

• 信頼性の向上: 発電システムの安全性を高め、発電所全体の可用性を大幅に向上させ、ダウンタイムを最小限に抑え、出力を最大化します。

• 経済的利益: 保守コストの削減や長期的な運用効率の改善などの経済的利益ももたらします。

発電所の電気配置の主要な要件は以下の通りです：

• 効率的な電力転送: 発電機から高電圧（HV）送電系統への電気エネルギーの転送を行い、運用上の必要性、ならびに可用性、信頼性、経済性に関する要素を考慮に入れます。

• 信頼性の高い補助電源供給: 補助および発電所サービスシステムへの電力供給を確保し、安全かつ信頼性の高い発電所運転を維持します。

図1は、発電機遮断器を使用して発電機を主変圧器に接続する発電所のレイアウトの例を示しており、これらの遮断器が発電所の電気構成全体にどのように統合されているかを示しています。

発電機遮断器の動作任務

発電機遮断器は、電力システムにおいて重要な多面的な役割を果たし、さまざまな基本的な動作任務を遂行します：

• HVシステムとの同期: 高電圧（HV）レベルでのシステム電圧との発電機の同期を担当します。これにより、発電機の出力と電網との間にシームレスな接続が可能になり、電気エネルギーの効率的な転送が促進されます。

• HVシステムからの分離: 発電機をHVシステムから分離することが可能です。これは特に無負荷または軽負荷の発電機を切り替える際に有用です。この操作は、電力網の安定性と安全性を維持するのに役立ちます。

• 負荷電流の遮断: これらの遮断器は負荷電流を遮断でき、発電機の全負荷電流まで対応できます。この機能は、発電所内の通常運転と負荷管理にとって重要です。

• システム供給短絡電流の遮断: システム供給による短絡電流を遮断し、発電機や他の部品を過電流による損傷から保護します。

• 発電機供給短絡電流の遮断: 同様に、発電機供給による短絡電流を遮断し、内部障害から発電機を保護し、その安全な運転を確保します。

• 位相差電流の遮断: 発電機遮断器は位相差条件下での電流遮断に対応し、最大180度の位相差まで管理できます。この機能は異常運転条件下でのシステムの安定性維持に重要です。

• 揚水式発電所での同期（モーターモード）: 扬水式発電所では、発電機モーターがモーターモードで起動される際、遮断器は機械をHVシステムに同期させるために使用されます。静止周波数コンバータ（SFC）起動やバックトゥバック起動などの異なる同期方法があります。

• 扬水式発電所での起動電流処理（モーターモード）: 扬水式発電所で非同期起動を行う場合、発電機モーターがモーターモードで起動されると、遮断器は起動電流を閉じて遮断し、滑らかで制御された起動プロセスを確保します。

• 低周波短絡電流の遮断: ガスタービン、複合サイクル、揚水式発電所では、起動供給に応じて、遮断器は50/60 Hz未満の周波数で発電機供給による短絡電流を遮断できます。これらの発電システムの特定の要件に適合します。

揚水式発電所での同期方法

揚水式発電所には複数の同期アプローチがあります。

• 静止周波数コンバータ（SFC）起動方式: この方式は主に単位変圧器の高電圧側に接続されたシリコン制御整流器コンバータと、発電機に接続されたインバータで構成されています。インバータは発電機の動作を低電力周波数から始めて徐々に定格電力周波数まで上げます。発電機が電力を生み出すようになると、ネットワークとの出力間で位相角差が生じることがあります。発電機とHVネットワークとの位相差が最小になった時点で、発電機は発電機遮断器またはHV遮断器を使用してHVネットワークと同期されます。

• バックトゥバック起動方式: 複数の発電機を持つ発電所では、バックトゥバック起動方式を使用できます。ノミナル条件下で動作している発電機によって生成された電力を使って、停止している発電機を定格電力周波数まで起動します。その後、発電機は発電機遮断器またはHV遮断器を使用してHVネットワークと同期されます。

IEC/IEEE 62271-37-13に基づく発電機遮断器の動作任務

IEC/IEEE 62271-37-13標準によれば、発電機遮断器の定格短絡動作周期は、各動作間に30分間隔がある2つの動作単位で指定されています。動作周期は「CO – 30分 – CO」と表され、これは2回の完全な短絡遮断で、それぞれの短絡閉鎖イベントの間に30分の間隔があることを意味します。この設計は、発電所と発電機を保護することを目的としています。フルショート回路中に2回連続して閉じ開ける操作を行うと、発電機や昇圧変圧器に損傷を与える可能性があります。

このような種類のショート回路は非常に稀であり、プラントマネージャーがフルショート回路イベントの後わずか30分後に再び回路を閉じることはほとんどありません。

2つの操作間の30分間隔は、遮断器の初期状態を復元し、その部品の過熱を防ぐために重要です。この時間間隔は、具体的な操作の種類と発電機遮断器の特性によって異なる場合があります。