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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。
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コメント

解説ありがとうございます

前の回と合わせてじっくり読ませていただきました。現状と問題点はほぼ理解できた、かな。時間と予算と社会的理解・・・難しいですねぇ。
それにしても、1ヶ月前には周波数統一については過去の事例として勉強していたのに。こんな形で現実の問題になるとは思いもよりませんでした。

Re: 解説ありがとうございます

コメントありがとうございます。メールの返信が遅れてすみませんでした。
以前から周波数統一の話はちょくちょく見かけました。今回の件でネット上に周波数統一の声が上がっていることについては、私としては「またか…」という感じです。(口が悪くて申し訳ないですが、他に言い回しが思いつかないので。)そもそも、周波数統一で解決できる問題ではないと思います。
周波数変換所についても、欠点ばかり挙げて、利点には着目されていないですし。

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