特許 6555575 水力発電装置及び界磁回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6555575

(24)【登録日】2019年7月19日

(45)【発行日】2019年8月7日

(54)【発明の名称】水力発電装置及び界磁回路

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/04 20060101AFI20190729BHJP

   H02K 7/18 20060101ALI20190729BHJP

   H02P 101/10 20150101ALN20190729BHJP

【ＦＩ】

   H02P9/04 A

   H02K7/18 Z

   H02P101:10

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-110388(P2015-110388)

(22)【出願日】2015年5月29日

(65)【公開番号】特開2016-226159(P2016-226159A)

(43)【公開日】2016年12月28日

【審査請求日】2018年3月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000211307

【氏名又は名称】中国電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100074332

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100114432

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 寛昭

(74)【代理人】

【識別番号】100138416

【弁理士】

【氏名又は名称】北田 明

(72)【発明者】

【氏名】新井 剛

(72)【発明者】

【氏名】三上 悦也

(72)【発明者】

【氏名】山本 哲也

【審査官】 佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０５４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１３６１８５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ９／００−９／４８

Ｈ０２Ｋ ７／１８

Ｈ０２Ｐ １０１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水車の回転に伴って回転するメインロータ、及びメインロータと対峙するメインステータを含み、送電用の電力を発電するためのメイン発電機と、
メインロータ又はメインステータの何れか一方に電力を供給し、該一方を励磁させる界磁回路とを備え、
界磁回路は、
水車の回転に伴って回転するサブロータ、及びサブロータと対峙するサブステータを含み、サブロータ又はサブステータの何れか一方が外部からの電力供給に伴って励磁されるサブ発電機と、
メイン発電機とサブ発電機とを電気的に接続し、サブ発電機が発電した電力をメイン発電機におけるメインロータ又はメインステータの何れか一方に供給する電力供給系統と、
メイン発電機のメインロータ及びサブ発電機のサブロータの停止中に、電力供給系統に外部から電力を供給する外部電力供給系統と、
水車の停止を検出する検出手段と、を備え、
検出手段が水車の停止を検出したときに、外部電力供給系統が電力供給系統に電力を供給している状態に切り替わるように構成されていることを特徴とする水力発電装置。

【請求項2】

水車の回転に伴って回転するメインロータ、及びメインロータと対峙するメインステータを含み、送電用の電力を発電するためのメイン発電機のメインロータ又はメインステータの何れか一方に電力を供給し、該一方を励磁させる界磁回路であって、
水車の回転に伴って回転するサブロータ、及びサブロータと対峙するサブステータを含み、サブロータ又はサブステータの何れか一方が外部からの電力供給に伴って励磁されるサブ発電機と、
メイン発電機とサブ発電機とを電気的に接続し、サブ発電機が発電した電力をメイン発電機におけるメインロータ又はメインステータの何れか一方に供給する電力供給系統と、
メイン発電機のメインロータ及びサブ発電機のサブロータの停止中に、電力供給系統に外部から電力を供給する外部電力供給系統と、
水車の停止を検出する検出手段と、を備え、
検出手段が水車の停止を検出したときに、外部電力供給系統が電力供給系統に電力を供給している状態に切り替わるように構成されていることを特徴とする界磁回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電機の絶縁低下を防止する水力発電装置及び界磁回路に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、水力発電装置は、発電機の巻線が周囲の水分を吸湿することによって、前記の巻線の絶縁抵抗が低下することが知られている。このため、発電機の絶縁抵抗の低下を監視する水力発電装置が提供されている。

【0003】

この種の水力発電装置は、発電機が停止中か否かを検知する運転状態検知手段と、運転状態検知手段により発電機が停止中の時に、該発電機の巻線の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定手段と、該絶縁抵抗測定手段により測定された抵抗値が規定値未満である場合、発電機を起動し、該発電機の巻線に電力を供給して、巻線を発熱させて乾燥させる運転制御手段と、を備える。

【0004】

かかる監視装置は、発電機の絶縁抵抗が規定値未満になると、発電機の巻線に直流電流を供給し、発電機を所定時間運転する。そうすることで、発電機の巻線が乾燥することになり、発電機の絶縁抵抗が回復するようになる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−１９４０５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、前記水力発電装置では、絶縁抵抗が低下してから発電機の巻線に直流電流を供給しているため、低下した発電機の絶縁抵抗を回復させるのに時間を要する。また、周囲の水分を吸湿することによる発電機の絶縁抵抗の低下そのものを防止できない、という問題がある。

【0007】

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、周囲の水分の吸湿による発電機の絶縁低下を防止することができる水力発電装置及び界磁回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る水力発電装置は、水車の回転に伴って回転するメインロータ、及びメインロータと対峙するメインステータを含み、送電用の電力を発電するためのメイン発電機と、メインロータ又はメインステータの何れか一方に電力を供給し、該一方を励磁させる界磁回路とを備え、界磁回路は、水車の回転に伴って回転するサブロータ、及びサブロータと対峙するサブステータを含み、サブロータ又はサブステータの何れか一方が外部からの電力供給に伴って励磁されるサブ発電機と、メイン発電機とサブ発電機とを電気的に接続し、サブ発電機が発電した電力をメイン発電機におけるメインロータ又はメインステータの何れか一方に供給する電力供給系統と、メイン発電機のメインロータ及びサブ発電機のサブロータの停止中に、電力供給系統に外部から電力を供給する外部電力供給系統と、水車の停止を検出する検出手段と、を備え、検出手段が水車の停止を検出したときに、外部電力供給系統が電力供給系統に電力を供給している状態に切り替わるように構成されていることを特徴とする。

【0009】

かかる構成によれば、乾燥用の外部電力供給系統から、停止中のメイン発電機に該メイン発電機を乾燥させるための電力を供給するようにしたため、メイン発電機のメインロータ及びメインステータが供給された電力によって発熱して乾燥し、周囲の水分を吸湿することによる主発電機の絶縁低下を防止することができる。

【0011】

また、検出手段による水車の停止の検出に合わせ、外部電力供給系統から電力供給系統に電力を供給するようにしたため、メイン発電機の絶縁抵抗の低下を防止することができる。

【0012】

本発明に係る界磁回路は、水車の回転に伴って回転するメインロータ、及びメインロータと対峙するメインステータを含み、送電用の電力を発電するためのメイン発電機のメインロータ又はメインステータの何れか一方に電力を供給し、該一方を励磁させる界磁回路であって、水車の回転に伴って回転するサブロータ、及びサブロータと対峙するサブステータを含み、サブロータ又はサブステータの何れか一方が外部からの電力供給に伴って励磁されるサブ発電機と、メイン発電機とサブ発電機とを電気的に接続し、サブ発電機が発電した電力をメイン発電機におけるメインロータ又はメインステータの何れか一方に供給する電力供給系統と、メイン発電機のメインロータ及びサブ発電機のサブロータの停止中に、電力供給系統に外部から電力を供給する外部電力供給系統と、水車の停止を検出する検出手段と、を備え、検出手段が水車の停止を検出したときに、外部電力供給系統が電力供給系統に電力を供給している状態に切り替わるように構成されていることを特徴とする。

【0013】

かかる構成によれば、乾燥用の外部電力供給系統から、停止中のメイン発電機に該メイン発電機を乾燥させるための電力を供給するようにしたため、メイン発電機のメインロータ及びメインステータが供給された電力によって発熱して乾燥し、周囲の水分を吸湿することによる主発電機の絶縁低下を防止することができる。

【0015】

また、検出手段による水車の停止の検出に合わせ、外部電力供給系統か
ら電力供給系統に電力を供給するようにしたため、メイン発電機の絶縁抵抗の低下を防止
することができる。

【発明の効果】

【0016】

以上のように、本発明によれば、周囲の水分を吸湿することによる発電機の絶縁低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る水力発電装置を示す図である。

【図2】図２は、停止状態のメイン発電機にスリップリングを介して直流電流を供給する状態を示す図である。

【図3】図３は、図１の水力発電装置の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の一実施形態に係る水力発電装置について図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る水力発電装置は、図１〜図３に示す如く、水車１０の回転に伴って回転するメインロータ２０、及びメインロータ２０と対峙するメインステータ２１を含み、送電用の電力を発電するためのメイン発電機２と、メインロータ２０又はメインステータ２１の何れか一方に電力を供給し、該一方を励磁させる界磁回路Ａとを備える。

【0019】

界磁回路Ａは、水車１０の回転に伴って回転するサブロータ３０、及びサブロータ３０と対峙するサブステータ３１を含み、サブロータ３０又はサブステータ３１の何れか一方が外部からの電力供給に伴って励磁されるサブ発電機３と、メイン発電機２とサブ発電機３とを電気的に接続し、サブ発電機３が発電した電力をメイン発電機２におけるメインロータ２０又はメインステータ２１の何れか一方に供給する電力供給系統４と、メイン発電機２のメインロータ２０及びサブ発電機３のサブロータ３０の停止中に、電力供給系統４に外部から電力を供給する外部電力供給系統５とを備える。

【0020】

また、本実施形態において、水力発電装置１は、水車１０の停止を検出する検出手段６をさらに備える。そして、外部電力供給系統５は、検出手段６による水車１０の停止の検出に合わせ、電力供給系統４に電力を供給する。

【0021】

水車１０は、回転可能に設けられた回転軸１０ａの一端部に固定され、水量発電所からの給水によって回転軸１０ａとともに回転する。

【0022】

メインロータ２０は、回転軸１０ａに取り付けられたメインステータ２１が回転可能に内挿される。また、メインロータ２０は、界磁巻線で発生する磁界によって発電するための複数の巻線であって、スター結線された三相交流発電用の巻線を有する。また、複数の巻線のそれぞれは、負荷（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相の送電線）に接続される。

【0023】

メインステータ２１は、メインステータ２１の中心を回転軸１０ａが貫通した状態で、回転軸１０ａに固定される。また、メインステータ２１は、発電用の磁界を発生させるための界磁巻線を有する。

【0024】

サブロータ３０は、サブロータ３０の中心を回転軸１０ａが貫通した状態で、回転軸１０ａに固定される。したがって、メインロータ２０とサブロータ３０とは回転軸１０ａによって直結されている。また、サブロータ３０は、メインステータ２１の界磁巻線に電圧を供給するための複数の巻線であって、スター結線された三相交流発電用の巻線を有する。

【0025】

サブステータ３１は、円筒形状で、回転軸１０ａに固定されたサブロータ３０が回転可能に内挿される。また、サブステータ３１は、サブロータ３０を励磁するための磁界を発生する装置であり、発電用の外部電力供給系統５の外部電源５０に接続された励磁巻線を有する。

【0026】

電力供給系統４は、サブステータ３１に電力を供給する電源４０と、サブロータ３０とメインステータ２１との間に配置された整流器４１を有する。該整流器４１は、サブロータ３０とメインステータ２１との間の回転軸１０ａに固定される。また、整流器４１は、サブロータ３０で発電された交流電力を直流電力に変換するために、複数のダイオード４１０を有する。なお、本実施形態において、サブロータ３０、電力供給系統４、及びメインステータ２１によって界磁回路Ａが構成される。

【0027】

外部電力供給系統５は、直流電流の供給により励磁可能な停止中のメイン発電機２に、直流電流を供給し前記メイン発電機２を乾燥させるための外部電源５０と、前記メイン発電機２に対して外部電源５０からの電流を供給可能に構成された電流供給手段５１とを備える。また、外部電力供給系統５は、前記水車１０の回転が停止した時点で、水車１０の停止を検出する検出手段６の検知信号に基づいて、電力供給系統４から切り替わるように構成される。

【0028】

外部電源５０は、メイン発電機２を発電するための電源４０（電力供給系統４の電源）とは別の電源であり、メイン発電機２に対して直流電流を供給するための電源である。

【0029】

電流供給手段５１は、回転軸１０ａに取り付けられた複数のスリップリングである。該スリップリング５１は、回転軸１０ａに取り付けられた環状の通電体で、スイッチＳＷを介して乾燥用の外部電源５０に接続される。そして、スリップリング５１は、図示しないブラシの接触によってメイン発電機２に対して直流電流を間接的に供給する。

【0030】

検出手段６は、メインロータ２０の回転速度を検知する速度リレーである。

【0031】

つぎに本実施形態に係る水力発電装置の使用態様について説明する。なお、本実施形態においては、サブ発電機のサブステータに電力を供給してサブロータが励磁される場合を例にとって説明する。

【0032】

まず、電力供給系統４の電源４０からサブステータ３１の励磁巻線に直流電圧が供給され、励磁巻線において磁界が発生する。

【0033】

つぎに水力発電所の入水弁（図示せず）を開くと、流入した水によって水車１０が回転すると共に、回転軸１０ａが正方向に回転する。これに伴って、サブロータ３０、整流器４１、及びメインロータ２０が回転する。

【0034】

そして、サブロータ３０、整流器４１、及びメインロータ２０の回転により、サブロータ３０において交流電圧が発生し、整流器４１において、交流電圧から直流電圧に変換される。この直流電圧がメインステータ２１の界磁巻線に供給され、発電するための磁界が発生する。この磁界によって、メインロータ２０で発電が行われ、メインロータ２０において交流電圧（送電用の電力）が発生する。これにより、水力発電装置１が運転状態となる。

【0035】

つぎに水力発電装置１の停止について説明する。電源４０との接続を解除すると、サブステータ３１の励磁巻線に対する電源供給が停止され、励磁巻線において磁界が発生しない状態となる。また、水力発電所の入水弁を閉じると、回転軸１０ａの回転が停止するとともに、水車１０の回転も停止する。したがって、サブロータ３０からメインステータ２１の界磁巻線に対する電圧供給が停止され、界磁巻線において磁界が発生しなくなる。よって、メインロータ２０で発電が行われない状態となる。

【0036】

メインロータ２０の停止状態は速度リレー６によって検知される。そして、速度リレー６によって、メインロータ２０の停止状態が検知されると、複数のスリップリング５１，５１に外部電力供給系統５の外部電源５０が接続される。具体的には、スイッチＳＷが閉じられて、外部電源５０からスリップリング５１，５１を介してメイン発電機２に直流電流が供給されて、界磁巻線及び巻線が発熱し、メイン発電機２の絶縁低下が防止される。

【0037】

このように、本実施形態に係る水力発電装置によれば、停止中のメイン発電機２に電力を供給することで、メイン発電機２の絶縁低下を防止することができる。

【0038】

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論のことである。

【0039】

例えば、前記実施形態の場合、水車発電機に適用したが、車両の回転機の磁界回路にも適用できる。

【0040】

また、前記実施形態の場合、速度リレー６によって回転子の速度を検知するようにしたが、スピードメータ、速度センサによって速度検知するようにしてもよい。

【0041】

また、前記実施形態の場合、界磁回路Ａの巻線に直流電流を間接的に供給するために、電流供給手段としてスリップリング５１を使用したが、回転トランス（ロータリートランス）を用いるようにしてもよく、メイン発電機２の巻線に電流を直接的に供給するようにしてもよい。

【0042】

また、前記実施形態の場合、回転軸１０ａによって水車１０とメインロータ２０とを直結するようにしたが、クラッチによって、水車１０とメインロータ２０とを適宜接続したり、分離したりするようにしてもよい。

【0043】

また、前記実施形態の場合、メイン発電機２及びサブ発電機３において、ステータを励磁させてロータで発電するようにしたが、ロータを励磁させてステータで発電させるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0044】

１…水力発電装置、１０…水車、１０ａ…回転軸、２…メイン発電機、２０…メインロータ、２１…メインステータ、３…サブ発電機、３０…サブロータ、３１…サブステータ、４…電力供給系統、４０…電力供給系統の電源、４１…整流器、５…外部電力供給系統、５０…外部電源、５１…スリップリング（電流供給手段）、６…速度リレー（検出手段）、Ａ…界磁回路

【図1】

【図2】

【図3】