タービン発電機

タービン発電機：エネルギー変換の中核

タービン発電機は、蒸気タービン、ガスタービン、水車などのタービンによって回転力を得て、発電機を駆動することで電気エネルギーを生成する装置です。火力発電、原子力発電、水力発電など、様々な発電所で利用され、現代社会の電力供給を支える重要な役割を担っています。

構造と種類

タービン発電機は、一般的に軸方向に長く、水平に設置されるものが多数を占めます。大型の発電所では、エネルギー供給装置とタービン部分を別々の建物に設置することもあり、タービン部分を収容する建屋はタービン建屋と呼ばれます。タービンの高速回転に対応するため、発電機は直径が小さく、軸方向に長く設計されています。

磁極数は、火力発電機では主に2極（4極のものもある）、原子力発電機では4極が多く用いられ、磁極が突出しない構造になっています。50Hz用では3,000rpm、60Hz用では3,600rpmという高速回転を実現しています。水力発電の場合は、発電用水車で駆動される発電機を「水車発電機」と呼び、タービン発電機とは区別されます。

冷却方式：水素冷却

大容量のタービン発電機では、固定子や界磁に大きな電流が流れ、冷却が非常に重要になります。100MVA級以下の小型機では空冷が可能な場合もありますが、100～1,000MVA級の大型機（火力・原子力発電所用）では、冷却効率を高めるために水素ガスを封入した水素冷却方式が一般的です。

水素は空気よりも熱伝導率と熱伝達率が高く、密度が小さいため風損が少なく、優れた絶縁性も持ち合わせています。さらに、発電機の材料を酸化劣化から守る効果もあります。水素は可燃性ガスですが、空気などの助燃性ガスと混合しなければ引火・爆発の危険性は低く、適切な管理の下では安全に運用可能です。発電機内部の水素圧力は、冷却効果向上と空気侵入防止のため、大気圧の2～5倍に保たれ、万が一の爆発にも耐えられる構造となっています。

点検時には、水素と空気の混合による危険を避けるため、水素を二酸化炭素で置換してから空気と置換するといった手順が踏まれます。日本では1953年、東京電力潮田発電所3号機で水素冷却方式が初めて導入され、その後のタービン発電機の大容量化を促進しました。

近年では、さらに冷却効果を高めるため、固定子導体内部に冷却水を流す固定子直接水冷却方式も用いられるようになっています。高純度の水は優れた絶縁体であるため、高電圧部材への適用も可能です。

出力制限と可能出力曲線

タービン発電機の運転では、固定子電流を機器の許容値内に収める必要があります。しかし、負荷の力率が低い場合、出力は制限を受けます。遅れ力率（誘導性負荷）では界磁電流の制限、進み力率（容量性負荷）では磁束集中による過熱や同期化力の低下による制限がかかります。これらの制限を考慮したものが可能出力曲線として定められており、運転管理において重要な要素です。

効率と超伝導発電機

最近のタービン発電機は非常に高効率で、大型の水素冷却機では99%を超えるものもあります。超伝導発電機は、励磁電力を大幅に削減できるため、系統安定度向上に大きく貢献すると期待され、研究開発が進められています。数万kVA級の試作機による実証試験も実施され、コスト低減と信頼性向上が今後の課題です。

まとめ

タービン発電機は、現代社会の電力供給を支える重要な設備です。水素冷却や直接水冷却といった高度な技術が用いられ、高い効率と信頼性を達成しています。今後の超伝導発電機の実用化も期待されており、更なる進化が続く分野と言えるでしょう。

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