第一種電工 令和3年度午後 問17｜電気工事の施工方法

同期発電機を並行運転する（2台以上を同じ母線につないで一緒に電気を送る）には、つなぐ瞬間に両方の電圧がそろっていなければならない。そろえるのは、周波数（ア）、電圧の大きさ（イ）、電圧の位相（ウ）、それに電圧の波形。これらがずれていると、発電機どうしの間に余計な電流（横流）が流れて、発電機が過熱したり振動したりする。発電容量は違っていてもかまわず、容量に応じて負荷を分担すればよい。正答はエ。

同期発電機の並行運転の条件を問う問題（正答エ）。並行運転に必要な条件は次の4つ（三相の場合は相回転の方向が同じであることも必要）。

・周波数が等しいこと（ア）：周波数が違うと、両者の電圧の位相差が時間とともに変わり続け、発電機の間を行き来する電流（有効横流）が流れて、同期を保てなくなる。

・電圧の大きさが等しいこと（イ）：大きさが違うと、電圧差によって発電機の間に無効電流（無効横流）が流れ、巻線が過熱し損失が増える。

・電圧の位相が一致していること（ウ）：位相がずれていると、つないだ瞬間に大きな有効横流（同期化電流）が流れ、発電機に衝撃がかかる。

・電圧の波形が等しいこと：波形が違うと、高調波の横流が流れる。

エ（必要でない・正答）：発電容量は等しくなくてよい。容量の違う発電機でも、それぞれの調速機（原動機の出力）と励磁を調整して、容量に応じて有効電力と無効電力を分担させれば並行運転できる。

【並行運転の条件と、ずれたときに流れる横流】2台の同期発電機を並列にすると、両者の起電力の差によって発電機の間を循環する電流（横流）が流れる。

・電圧の大きさの差 → 無効横流：起電力の大きいほうから小さいほうへ、位相が90°遅れた無効電流が流れる。電圧の高い発電機は遅れ電流（減磁作用）、低い発電機は進み電流（増磁作用）を受け、電圧を等しくする向きに働くが、巻線の銅損が増えて温度が上がる。

・位相の差 → 有効横流（同期化電流）：位相の進んだ発電機から遅れた発電機へ有効電力が移り、進んだほうを減速、遅れたほうを加速させて位相をそろえる。差が大きいと大きな電流と機械的な衝撃が生じる。

・周波数の差：位相差が周期的に変わるため有効横流が増減を繰り返し、差が大きいと同期を保てず脱調する。

・波形の差：起電力に含まれる高調波の違いで高調波の横流が流れ、損失と温度上昇の原因になる。

【並列に入れる操作（同期投入）】発電機を母線に並列に入れるときは、原動機の速度を調整して周波数を、励磁を調整して電圧の大きさを母線に合わせ、同期検定器（シンクロスコープ）などで位相が一致した瞬間に遮断器を投入する。

【負荷の分担】並行運転中の有効電力の分担は、各発電機の原動機の出力（調速機の設定）を変えることで調整し、無効電力の分担（力率）は励磁電流を変えることで調整する。励磁だけを変えても有効電力の分担は変わらず、無効横流と力率が変わるだけである。このように分担を調整できるので、発電容量が等しいことは並行運転の条件ではない。非常用発電設備や複数台の自家用発電機でも、容量の異なる機械を並行運転することがある。