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アクセス数急増?「アーク放電」か…

ちょっと用事で熊本に帰郷中。
久しぶりにブログを確認したら…118アクセス/日!?私のブログの平常アクセス数は15アクセス/日ぐらいなのですが…

何かと思えば、これの関係ですか…GIZMODO 東北電力仙台変電所付近でアーク放電 #jishin
昨日の余震のNHKの中継映像に、青い光が映っていて、それがどうやら変電所か送電線でのアーク放電らしいということです。
で、こちらのアーク放電のページが検索エンジンからヒットしまくったということか。

私もちょうど中継映像をパソコンの地デジチューナー(購入したて)から見ていて、タイムシフト機能を使って何度も見返しました。確かにアーク放電っぽい感じです。

アーク放電とは何かというのは、こちらのアーク放電のページにも書いています。
今回の「青い光」について、非常に大雑把に、大多数の人が分かるように言えば、「送電線がショートして放電が起きたか、送電線のスイッチを切ったため、放電が起きた」ということになります。

なお、上に挙げたGIZMODOのページや、私のアーク放電のページで挙げている動画は実験動画であり、あくまでも異常な放電で、通常はこのような放電は起こりません。しかし、かといってこの「青い光」が異常なのか、正常なのか(安全のためスイッチを切ったことによる放電なのか)は断言できません。
しかし、正常な方法でスイッチを切ったことによる放電は短時間で終わるはずです(そうでないと、放電で電極が融けてしまう)。この放電は、継続時間や規模としては異常に見えます。
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あくまでも将来の話

周波数統一について考えてみるという記事で、今回の1000万kWもの電力不足において、周波数統一をしても最大半分程度しかまかなえないことを説明しました。

その理由については、分量が多くなりすぎる説明しませんでした。
電力融通に制限があるのは、発電能力の問題と、送電距離や位相の問題からです。
電力会社間で電力をやり取りしようとすると、どうしても送電距離が長くなりがちで、送電線のインダクタンスが大きくなります。インダクタンスがあると、送電側と受電側の位相に差が生じます。この差があまりに大きくなると、制御が困難になりますし、力率が低下します(効率が悪くなります)。これが、位相の問題です。

なぜこんなことが起こるのか…それは交流送電を使っているからです。
では、直流送電を使えばいいのではないか。直流送電についてはこちらで説明しています
しかし、直流送電には費用がかかる…。


ただ、どうせ直流を使わなければいけない発電方法があります。それが、太陽光発電です。

そこで、太陽光発電を直流送電に直結すれば、直流送電を行うのに必要な交流-直流変換設備にかかる費用をいくらか抑えられます。まあ、実際には太陽電池の後に電圧変換を行う必要はありますが、 太陽電池から直流→交流送電→直流送電→交流送電で負荷へ という多段階の変換を行うより低予算になるはずです。

それから、普通の発電機の直後で交流-直流変換を行う「直流発電所」を作るのもいいのではないかと思います。
通常の直流送電に用いる変換装置は、電力が交流系統から直流系統に流れても、逆に直流系統から交流系統に流れてもいいように、双方向に変換ができる必要があります。そのため、サイリスタという素子と、変換を制御する装置を用意する必要があります。
しかし、発電機からは電力が出ていくだけで、双方向の変換は必ずしも必要ありません。この場合は、ダイオードという単純な素子を用いればよく、変換装置について特別な制御が必要ありません。さらに、発電機を自由な速度で運転できます。交流発電機のように、位相や周波数を合わせる必要が無いのです。(位相も周波数も直流-交流変換装置が合わせてくれる。瞬時電力で見ると、発電機への電力の逆流は必要だが、これは変換装置で直流系統へ逆流させ、他の負荷やコンデンサで消費させればよい。)これは、自然エネルギーに左右される、水力発電や風力発電と相性がいいのです。しかも、いくつかの発電機を微妙に位相をずらして運転すれば、電圧の変動を抑えて完璧な直流に変換するための「フィルタ」を小さくできます。

さらに、この直流送電線を通して、60Hzと50Hzの間で電力融通することも可能です。そもそも、周波数変換所というのは、2つの交流-直流変換装置の直流入出力を接続したもので、交流→直流→交流と変換することで、周波数変換を行っているのです。

このような直流送電を大規模に取り入れれば、長距離送電も可能ですし、周波数の境界も無関係で、交流に比べて同じ送電設備でも大容量の送電が可能となります。さらに、太陽光発電と直流発電所を組み合わせれば、総合コストはある程度押さえられます。

ですが、現在の技術ではやはり予算がかかります。土地だって簡単には手に入りません。だからこれは将来の話。

周波数統一について考えてみる

西日本と東日本で周波数が同一だったら、このような電力不足にならなかったのではないか――最近そんな話をよく見かけます。周波数統一は可能なのでしょうか?それは必要なのでしょうか?

面倒な人は結論までジャンプ

周波数統一の問題点
電力の現状と対策にも書いていますが、整理してここにも書いておきます。
①変圧器の問題
60Hz用の変圧器を50Hzで使用することができません。効率が低下するためです。変圧器には「インダクタンス」というものがあり、出力が小さくなると、インダクタンスによって入力電流が低下します。しかし、インダクタンスは周波数が低いほど小さくなります。したがって、60Hz用の変圧器を50Hzで使用すると、入力電流を減らす要素でるインダクタンスが小さくなることで、無駄に電流が増え、効率が下がることになります。
よって、日本全土を50Hz化すると、60Hz地域の変圧器の殆どを交換することになります。もちろん、両用の変圧器はありますし、小容量のものは交換が不要な場合もあります。もし、交換したくないのであれば、入出力電圧を下げると変圧器での損失が低下するように思えますが、送電ロスが増加するので意味がありません。
なお、逆に50Hz用の変圧器を60Hzで使うことは可能のようです。

②発電機の問題
発電機の周波数変更は、回転数の変更で可能です。50Hz/60Hz両用発電所では、回転数変更で対応していることが殆どです。
60Hz用の発電機を50Hzで運転する場合、回転数を下げればいいので、これは比較的簡単です。しかし、出力電圧が下がります。発電所で使われる発電機には、出力電圧を調整する機能がありますから、ある程度はカバーできますが、変圧器の変圧比の変更が必要かもしれません。
逆に50Hz用の発電機を60Hzで運転する場合、回転数を上げる必要があります。回転子やタービンには通常以上の遠心力が加わるので、機械強度の点で問題があり、発電機の交換となります。

③需要家側の問題
周波数を変えると、電気を使う側の問題もあります。まず影響を受けるのはモーターです。モーターにも種類がありますが、誘導電動機と同期電動機が影響を受け、回転数が変わってしまいます。
家庭で言えば、洗濯機やエアコンが影響を受けます(全てではないです)。これらは、周波数の切り替えのために部品交換となる場合があります。インバーター式ではない蛍光灯の器具側も交換が必要になる場合があります。
街路灯に使われる、ナトリウムランプや水銀灯の安定器も交換となります。
また、モーターを多用する工場では、片っ端からモーターを交換するか、部品交換で対応することになります。過去には、電力が普及する前に自家発電所を持っていた工場が、電力が普及後と違うは周波数を使っていたため、自家発電所を維持し続けたり(チッソ水俣工場など)、周波数変換機を導入したり(小坂精錬所など)という対応を強いられています。


結論
60Hzから50Hz化のときは変圧器交換
50Hzから60Hz化のときは発電機交換
どちらにしろ需要家では様々な機器交換
これだけの機器交換が発生すると、生じるゴミも膨大な量です。予算も膨大で非現実的です。

現実的な電力不足対策
周波数境界付近で、両用の発電所や周波数変換所を増やすということが最もよいと思います。

そもそも、全国で周波数を統一する必要があるのかという疑問点があります。
東京と東北で電力不足が生じたからといって、九州から電力を融通することはできません。それに、周波数が統一されていても、融通できる電力に制限があります。地域間を結ぶ「幹線」である、50万Vの基幹送電線での融通能力を見てみましょう。例えば東北電力から東京電力への融通能力は約500万kWです。これは地域間の電力融通としては大きいほうで、中部電力から関西電力への融通ではたった100万kW程度です。ですから、多く見積もっても、500万kWが融通できる分の周波数変換所と周波数両用の発電所を作れば、周波数を統一したのと同等の電力を、50Hz地域と60Hz地域の間でやり取りできます。これなら、周波数統一よりも遥かに低予算で可能です。
もちろん、周波数が異なる地域に転居する人にとっては不便ですが、莫大な予算がかかる周波数統一に比べれば僅かな損失ということで、目をつぶってもらうしかありません。

まとめ:500万kWを融通できる分の周波数変換所と周波数両用の発電所を作ればよい

※既存の発電所を改修して、周波数両用の発電所だけで500万kWを確保しようとするなら、60Hz地域と50Hz地域それぞれに500万kW分の周波数両用発電所を作ることになります。新設の周波数両用発電所や周波数変換所なら、境界付近に500万kW分の設備を作るだけです。周波数変換所も高価なので、どちらがいいかは既存の設備と予算の兼ね合いで決めるべきでしょう。

※周波数変換所を設置する利点として、周波数の安定化と、位相や潮流(電力の流れ)の制御をきめ細かく、しかも高速に制御できるようになる、というものがあります。発電所でこれらの制御を行うには数秒~数十秒単位の時間が必要になりますが、周波数変換所は交流の波1つ分の単位での制御だって可能です。
例として、中部電力と北陸電力を結ぶ「南福光連携所」は、周波数変換所と同じ構成でありながら、周波数変換を行いません。中部電力・関西電力・北陸電力はループ状に接続されており、制御が難しいのです。そこで、周波数を安定させながら、位相、潮流の制御を上手く行うために南福光連携所を設けてあります。




しかしながら、
500万kWでは今回の電力不足には対応できないではないか
という意見もあると思います。その通りです。
しかし、周波数統一をしようが、やはりこれだけの超大規模災害において、現状のような電力網・発電能力では、電力不足は避けられないのです。融通能力にも限界があるためです(例:東京-東北間500万kW程度、中部-関西間100万kW程度)。これ以上電力網を強化するにも、かなりの予算と労力がかかります。
UHV送電線の導入という手もあります。しかし、用地買収の問題や付近住民の反対など、技術面だけではどうにもならない壁が立ちはだかっているのです。
これは、周波数統一どうこうの問題ではありません。

まとめ(2):今回のような電力不足をさけるのであれば、周波数統一ではなく、まず、莫大な土地と予算を確保し、送電・発電能力を強化する必要がある。それにあたって、送電線による電磁波障害・発電所による公害などということは言っていられなくなる。

クリーンエネルギーで発電量を増すのもいいのですが、太陽電池は大規模導入にはもう少し改良が必要です。(量産できるかの問題もある)また、風力発電は不安定で発電量が少なくて論外です。
太陽電池による大規模・高電力密度の発電が可能になれば、ついでに直流送電線が敷設できて、これを通して周波数変換や位相の調整もできて、色々と工夫できそうな気がしてきますが、やっぱり予算と土地が…。

残された現実的な道、かつ、今すぐできることは、節電ぐらいです。
あとは技術の進歩と、仮設発電所の増設を待つしかないです。

電力の現状と対策

このたびの震災で被害を受けた方々に、謹んでお見舞い申し上げます。

東京電力と東北電力で電力不足が生じているますが、他の電力会社から電力供給も難しい状態です。
東京電力や東北電力は50Hzですが、お隣の中部電力は60Hzであり、周波数が違うからです。
しかしながら、非常時ということで、様々な方法を使って中部電力や関西電力からの支援が行われています。勿論、同一周波数である北海道電力からも支援が行われています。以下にまとめてみました。

関連項目:周波数統一について考える

北本直流連携線による北海道からの送電
最大容量である60万kWの融通が行われています。交流送電だと状況によっては最大容量まで使えない場合がありますが、直流送電であることが幸いし、制限容量いっぱいまでの融通が可能です。
※「交流送電だと状況によっては最大容量まで使えない」というのは、位相や無効電力の問題や、周波数維持の問題によるものです。

周波数変換所のフル運転
新信濃周波数変換所(長野県)、佐久間周波数変換所(静岡県)は最大出力(各30万kW)、東清水周波数変換所は現在可能な最大出力(10万kW)で60Hzから50Hzに変換し、計100万kWの電力融通が行われています。
なお、東清水周波数変換所はそもそも30万kWの変換能力を持つように作られるはずでしたが、送電線などの用地取得の問題から、10万kWに制限されています。30万kWでの本格運用は2014年12月の予定ですが、この時期を早められるように検討しているようです。

東清水周波数変換所の出力向上
中部電力によると、暫定的に約3万kWの出力向上を行うようです。
その方法については「送電線の電圧変動の許容値を定めた社内規定を、顧客に影響のない範囲で緩和する」(電気新聞より)と書かれています。東清水周波数変換所は、本来275kVの送電線に接続すべきところ、154kVに接続して仮運用している状態です。この送電線の容量制限によって変換容量が10万kWに制限されており、変換装置自体は30万kWに対応しています。今回の出力向上では、送電電圧を僅かに高めたり、負荷側の電圧低下を許容したりする方法をとっているものと思われます。


佐久間水力発電所の50Hz運転
50/60Hz両用の発電所である佐久間水力発電所を50Hzで運転しているようです。
付近の秋葉系水力発電所も50Hz運転にして、計23.1万kWを融通するそうです。

新豊根水力発電所による支援
50Hz用発電機と60Hz用発電機の両方と、両用発電機を備える揚水発電所で、中部電力からの60Hz電力によりあらかじめ揚水しておき、ピーク時に50Hz用発電機で発電しているようです。50Hz最大出力は75万kWとなります。ただし、揚水発電のため、予め60Hzの電力で汲み上げた水の分だけの発電となるため、常に最大出力にすることはできません。
50Hz発電機と60Hz発電機が一部別々で、送電経路も2つあるので、揚水運転しながら発電運転すれば周波数変換所代わりになる気がしますが…ピーク需要だけ負担すればいいからそんなことをする必要もないのか。

泰阜水力発電所の50Hz化
中部電力の発電所です。通常60Hzで発電していますが、改造によって50Hz化し、2万~4万kWを融通するようです。

寝覚水力発電所と御岳水力発電所の50Hz化
この発電所は、東京電力から離れた関西電力の所有ですが、作られた当初は50Hzにも対応していたようです。(当時は50Hzと60Hzが入り乱れた地域があったため。)その設備が生きていたため、このようなことができたのかもしれません。これにより、数万kWの電力が融通されます。

なお、同じく関西電力の黒部川系の発電所にも、いくつか周波数両用だったものがあるようですが、60Hz用に交換されてしまったようです。これが健在で、送電経路があれば、さらに数十万kWの融通が可能だったかもしれません。



60Hzの発電設備を50Hzに切り替える例がいくつかありましたが、60Hz用の機器を50Hzで使うには少し問題があります。

まず、60Hz用の変圧器を50Hzで使用すると、効率が低下します。変圧器には「インダクタンス」というものがあり、変圧器から出力を取り出さないときは、インダクタンスによって入力電流が低下します。しかし、インダクタンスは周波数が低いほど小さくなるので、60Hz用の変圧器を50Hzで使用すると、入力電流が増え、効率が下がることになります。
泰阜水力発電所の場合、50Hz用変圧器を新設したか、偶然に50Hzも許容できる変圧器だったと考えられます。寝覚水力発電所と御岳水力発電所はおそらく両用の変圧器があったためではないかと考えられます。
なお、逆に50Hz用の変圧器を60Hzで使うことは可能のようです。

また、60Hz用の発電機を50Hzで運転する場合、回転数を下げればいいので、これは比較的簡単です。しかし、出力電圧が下がります。発電所で使われる発電機には、出力電圧を調整する機能がありますから、ある程度はカバーできますが、変圧器の変圧比の変更が必要かもしれません。
逆に50Hz用の発電機を60Hzで運転する場合、回転数を上げる必要があります。回転子やタービンには通常以上の遠心力が加わるので、機械強度の点で問題があります。

その他、送電線のインダクタンスやキャパシタンスの影響の受け方が少し違ったり、細かい違いがあると思います。



ところで、どういう経路で60Hz地域から50Hz地域へ融通しているんだろう?
中部電力の場合、そもそも50Hzに接続できるように送電線が引いてありますが、関西電力のほうはどうなっているのかは謎です。



参考
・中部電力公式サイト
2011年3月度定例記者会見
東清水FCの緊急対策としての変換能力向上の検討について
東北地方太平洋沖地震に伴う当社の支援状況について[PDF]
・電気新聞
被災地への電力融通拡大 中部電が緊急対策

新型地中配電?

またも写真が撮れなくて、googleマップの力を借ります。

地中配電にすると、変圧器を地上に置くことになります。このリンク先のような、歩道に置いてあるのがその変圧器です。変圧器塔または配電塔と呼ぶようです。(配電塔といえば、普通は22kVの特高から6.6kVへ降圧する設備を指すことが多いのですが…)一方、最近出てきている新しい方式では、鉄柱を立ててその上に変圧器を取り付ける方式があるようです。
熊本市江津の県道103号線のこの付近には、茶色い鉄柱を立ててその上に茶色の変圧器(普通の配電用とは違う形状)を取り付けたものが使われています。
ストリートビューでは、工事中で鉄柱のみ立っている様子が見れます→こちら

他にも、水俣市の国道3号線沿いに同じものがあります。こちらが早いようです。

わざわざ鉄柱の上に取り付ける意味って何でしょうね?
なかなか情報が出てこなくて、詳細が分かりません。



余談
「地中配電 柱上変圧器」でgoogle検索したら、こんな広告が…。

柱上 変圧器大特集
買えば貯まる。貯めて使える! 楽天はポイントがついてとってもお得www.rakuten.co.jp

なんかこういうありもしない広告とか嫌いだ…。



追記(2011/12/07)
ソフト地中化というそうです。
配電塔を置くスペースが取れないか、電柱を撤去できない場合に使うんだとか。この場合は前者でしょうが、スペースが無いかというと…
参考→http://www.nasudenki.co.jp/products/ug/item/soft/index.htm

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