∪.D.C.る21.221.4 d2l.224.7＋る2l.313.3 東京電力株式会社矢木沢発電所納ポプ水車および 85′000kVA発電電動機 87′000kW 87,000kW Reversible the Yagisawa ン Generator-Motor Pump-Turbine and85,000kVA Power Station,Tokyo Electric 外英岡 Power 徳* 長容内 CoリInc. 沼 Susumu HidenoriTonooka 梗 for 進* 永 Naganuma 田良* 一 KazuyoshiNagata 概東京電力株式会社矢木沢発電所は当初貯水池式の発電所であったが,｢1獅l】32年頃より揚水の隅想がと㌢)入れられ,種々検討の結果ポンプ水中3台を設瞑し,殺人出プJ210,000kWの方針が確立された｡ポンプ水中を用いる揚水発電所の計画にあたってほ,使用者側と磯諸賢の製作者側との密接な協力が必要であり,仕様決尽こあたり東京電力株式会社と日立製作所の問で共同研究会が組織され,約1年半にわたる検討が行なわれた｡これらの検討内容とともに,可逆ポンプ水車および発電電動機の仕様などについて述べる｡ 1.緒口テ了 f珪揚水発電所の計画に際しては,その特異性から計画の盲嘩 # 鎌田発電幡谷発電所蚊当初より使用者側と製作者側とが協力して検討を行なうことが男ほれる｡矢木沢発電所についても,揚水発電設栓滝発屯所【】勺下∴〔与党iに叶 r与利根節岩▼左党i在所一地一l-Jこ備を信頼度が高く,高性能かつ経済的に設計するため, 上久尼発一iE所これに必要な揚水発電用機器の仕様およぴその配置などホについての基礎資料を得る目的で共同研究が行なわれ, 伏田発電所疇+ 子r川ゴ貝発音巨所木沢か斤爪佐久斜に所利根 ( 藤原発て卵子ー昭和35年3月より研究会が発足した｡卜牧発花車′ト松発電所ひ渋川市岩本発電所 2.概 2.1計画 r二駅要赤桃野党屯所金井発電所谷一 /締烏発電所任よ呈Ⅰ=皇==皇=星呈些m の概要ィ川北設荒屯所八木沢地点は利根川最上流に位置する大容量貯水池地グ例凡溝巾稲1■両党屯所ノ乞点であり,発電のはかに農業,水道両用水の目的にも利第1図用するため,群馬県,東京都,東京電力株式会社の三者で欠木沢発電所付近水系一覧図 H.W.1-l,3即.0 総合的な開発計画を進めていたが,昭和33年末にはこれ 1,400 1,300 に駅水調節能力を加え,さらに下液かんがい区域への用利根 1.200 水補給をあわせた多目的ダムとして,建設省がダムの建 H.1V.Ll,125.0 1,100 設を担当することになり,35年度より本格的準備工事が 1,000 開始された(38年に水資源開発公団に引きつがれた)｡ダムは東京電力株式会社既設須田貝発電所の調整地表終端付近に位置する高さ131mのアーチダムで,総貯水量204.3×106Ⅲ13,発電用右設貯水量153.7×106m3の容 H.1lr.L朗00可 900 ､主植軸0 利用水深蘇原ダム頃田貝発電所 i削東発7E所 H.W.L EL6510 ′J､森ダム(L牧) 水上発一定所 H.1l･r.L7430 600 ′･L □ 要は次のとおりである｡第1,2図は矢木沢発電所付近の EL557 上牧発私析小松発屯所 EIJ6240 例 EL559.6 岩本発電所既設発′.かす摘発一.El可i 水系を示す｡ EL276.20 -既設水路ダム取水河 (b) 流域面 (c) 位川措置 (a) 利根川水系利根川 90 80 名形群馬粍利根郡水上町大字 10 最大出力 (kW) 最大使用水立有効落差 (m) 運転l凋始年月 _(仁･聖二卓_ 矢木沢 240,000 300.0 91.5 上越線水上駅および湯桧須田見 46,000 83.0 水上 13,600 127.4 曽駅藤原 21,600 小松 12,700 113.6 上牧 30,000 143.4 アーチ式コンクリート造岩木 27,300 108.3 +- (水資源開発公団施工) 佐久 66,000 118.8 3 式式 20 9ハU 形 30 一一ム駅 40 和和和和和正和和和昭昭暗唱昭大昭昭昭ダ寄 50 佐久発電所放水1_lよIjの距甑(km) 167.4km2 藤原字矢木沢最 60 70 発一戸E所名地第2亡当l奥利根河川日立製作所日立工場 ∼149- 真壁調ヤさ地位久発電｢くIi EL148.7 計加水絡一一一一 * 須田貝ダム EL796.5 量を有し,ダム直下に発電所が設けられる｡その計画概 (d) 850.0 53､5m 70n 500 (1) 矢木沢ダム矢木沢発電所 92.32 縦断面図ハU 一〔YO 一 l 1 3 ▼ 一 → 一一 1910 昭和39年11月評 _1⊥ 論利 Hll■IJ850,00 850 27 用水深第11号 511T 常時満水位 32 毒=ぜ 840 第46巻 EL742,632 な七,矢木沢では充電のはか, 次の事業が行なわj･′しる｡ 24 31 --ド均 830 市水 (a)治￣▲`￣く卜業 ′.‡印柑1i水位EL850,000より_1二4.5mの舛量22,100,000血}を＼利川してきウし水調節を行ない,八斗鳥に二‡ゴける洪水量を200m3/s 30 軽減する.丁) 820 しこ 810 rb)か練乳100町歩の農地に対し,かんがい用水の補礁を行なう√､加古(都の水道詫要の増加に伴い新規水源を本件水他に求めるトーーー一旦∠一旦土些堅----+ 7｡｡j 6 7 8 9 10 道 (C)水 LⅥ｢L796.50 5 11 い敵二千を本貯水i伽こためて史季渇水時に放流し,￣F一流利根川汀† 800 4 がんもの.｡ 12 1 2 3 (2)発馬所の規模火節3岡木沢貯水水位池当イ那)規梓ほ70,000lくWx3台,210,000kW,戚大使用水壷州税 3001-13/sであったが,運転仕様に対してポンプ水中の特性をどの墟品 131m ように決定するか,一速度か,二速度かなど多くの問題があるの堤頂長 402m で,機器としては単機容量70,000kWにF斗揺することなく,経済堤体積 690,000m3 的容量の決定に検討が加えられた｡ (e)上部貯水池(矢木沢) 貯総水 (3)貯水池の水位曲線量石設貯水量用利深水水矢木沢貯水池の水位曲線を弟3図に示す｡ 153,700,000m3(発電用) 常時満水位湛 204,300,000ma ■面積 (4)運転方法に関する基本事項 45m) 53.51Tl(ポンプ運転時貯水池の使用ほ年間調整とし,揚水は口問調性とする｡この場 EL850,000 合発電時の水量と揚水時の水量の関係ほ,各時期の口々において 5.67km2 3f｢で発電に使用した水量から￣F流への放流量を差引いた水量を (f)下部貯水池(須田貝) 設有 3テナで揚水することとし,式で表わせば次のとこおりである｡量容 6,000,000m3 3Qr如｢24ヴ≦3()♪ゐ′】. 第1衰 A 葉 I 速水ポ車ホ 7 式大投稿.落最低流註(81m にて)(m3/s) 回転数(rpm) 化 72MW 力(kW) 長高揚捏(m) 応低松草さ(m) 水揚 76 込揚程(m) 一一重畳大寸法 75 1.0 C 物付S 50 シャさ形カフトーーソ容ラ 40 立シャ物物固定子わく 1,300×3,100 ×阜,7pp 固定子フト 5 55.5 1 爪V 120 榊11｡謹景(t) 周ラ王子 1,500×3,500 _¥4!些旦 200×2 カラシャカフト固定子わ 5 3 ハUハU ハU(U O 5 5 5 ハU <U <U ハU 3O 4 00 O 3O 32 108,000 108,000 108,000 82,000 85,000 88,000 0.9 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 50 50 50 50 44 40 40 40/44 さ形 28 ラ立付かシ17 さ形ニノト 31 ■カラ立柑かシャさ形カフト 35 ラさ形立地かシャカ￣7ト 35 固定 7▼わく【占ぃ志子わく固定子わく周忌三千わ固固定￣7･固子固定子固定定子 35 固定子 1,500×35,000 ×47,000 定 35 固定子 1,600×3,400 ×4浬pq 200×2 230×2 ー150- 39 L占1 定 1,600×3,600 子 ×5,9唄 250×2 子定 l,600×3,600 ×5,0野 250×2 く子 39 固ラ立軸㌧/ヤカフト 39 く 1,300×3,000 ×4,700 36 物立樹カ軸 … 29 最大村道寸法(mm) レ 4 一75 78,000 最大輸送重量(t) 最 120,000 ー ■一13｡.11｡. 概略ク寸法 4 0 八U0 0000一9.〇画量 5 5 O ハリ 0.9 点大荷造■+￣法(mm) 大フランシス可逆式 4 一 27 75,000 最大輸送重去(t) 最フランシス可逆式〇〇 5 5 50 27 m抑丑力率率数数式察HIH力力威儀機磯波電動電動計ー50制限動 120MW 5 300000M竺0000000･9川5040形㌃1一75.75, 40 ー30制限送吋遭式 1ユ｢ケーシン′グ人口径(mm) 主軸吏量(t) 大 100MW 度一 4,000 最速 1〇 5,500 ナ般大重輸 100MW 度 5 立軸か〔亀速二 78 川径(mm) 発電発電周極形発電機電動機仕様電監 ∴ス可逆式F7ラ 72 一発 L 100MW 7ランシス可逆式数(rpm) ン速 150 量(m3/s) 転ラランシス可逆式虻1 速 G 町一車度 F 109 助大略押速二 E 72 要回 D 〃一プ C 表差(m) ン水較差(m) 清大比力(kW) 所接案名 B ンシス可逆式最器と一72悪w度度 72MW 形撥 ‥(1) 44 国定了･ 1,800×3,100 ×5,400 280×2 ラ 41 固定子わく固定子 41 周定子 13,00×3,100 ×5,400 280×2 1911 東京電力株式会社矢木沢発電所納87,000kWポンプ水車および85,000kVA発電電動機各落差における発電時の使朋水量(m3/s) P 上記落差に対応する松組′こおける揚水量(mこソs〕 r 発電間(h) 時間(h) も熱､水揚 P 時 2 0 ＼戦′ (U-0-丁〃-〃 r (首長 q:下流への放流量(mrソs) 吸込背水圧変動捌白 HJ=-10m ＼..1 ＼選頚んT,ゐpi･こ￣ついては需給面より,それぞれ5時間ニーb【にび7時間以内とすることになった｡したがって(1)式においてんT=5,如=7とぉけ(上＼＼＼＼トミ､運転範開 GV()4/10 ￠T【1.6ヴ≦1.4(∼p.… ‰過 ‥(2) ----｢筋 0.10 またポンプ水中の設計ほ水車に弔点が′ねかれることとなった.｡ 0.20 i方己;-1こ0√mシセノ 3.ポンプ水車＼ (1)出＼､ち 20 3.1ポンプ水車の仕様＼.亡ノ力 H5=-10m ンング水J-1三変動振幅【F盲与概容量については策1表のようなA∼G案について,主としてポンプ水車の性能の比較検討が行なわれ,さらに模型試験結果 (言∈) をもとにして,水車出力に見合う発電機出力とした案(H繋)電動 l 彗出巾機出力に見合う発電機出力とし,水中出力を制限する案 l rI,J ＼ l (ヰ転義頚案)あるいは発電機を二屯定格にする案(K案)などについて検討が行なjっれた結果最終的には80,000kW,使州最大水競】.00m為/s, ∴__⊥⊥_空翌___土二二ニヨ 0.10 一速度のポンプ水車3子†,総出力240,000kWと決定された.｡ (2)回転数 0.20 流最Q(m㌢昌) 本発電所の場合地形上の制約から吸出高さ(吸込高さ)は-10111 第4図程度で押える必要があり,回転数は150rpmが最も適当であF), 水.｢L三変動一亡デル試験紙果の一例 (辿′附き別転は必らず国中のハッチング山で行なわれる｡) また二速度式に対する検討も行なわれたが,本発電所の場合ほ経済的効果も少なく,また大容量二通性株の実例がない点から,150 97m以上では87,000kW rpm一速度を採用することに決定した｡する｡水用 (3)利 (b)ポンプ運転時深揚利用水深については53.5,50,45,40111のそれぞれ;･こつき検討され,利用水深を縮′J､するほうが得筒であるとの結論になったが, 基準矢木沢ダムほ多目的ダムであF),対外的関連もあるため計画どお値高り53.5mとされた｡批低 (4)発生電力量の検fi､j' 川発生電力量の検討ほ次の式によノJた｡数 85 流最(m3/s) m 112.5m 63 80以上 32 m lO411 以 150rpnT(水軋卜七ボンノブとも) ポンプ水中では普通水車に比べ,ランナ｢自二径が大きくなり,かつ I机=∑月5′′×24ヴ∫×り′∫ ホソプ運転が行なわれるために,種々の配慮が必要となるが,特に Ⅳ2=∑〃5′∫×(15()=124ヴ己うでf∫ 溝差損程の変動範閃が大きい場合,普通水中以上に水力的に過醗な条件となる｡すなわち, ･lγ=lれ十l取=∑〃g′∼･×り∠iX15(フ′J 銭`∫:各月別i一三均水位(静落差) (a)水中低落差時 (b)ポンプ高揚程時り′′･:〃くHにおける水中効率流分水量 q/:自 (C) ￠=:〃ぶりにおける水車使用水量ョソ条件などより注意を要する｡ (1)ポンプの平常運転時の水圧脈動上述計算式により一速度と二速度の比較,利用水深の影響,機械容量の検討などが行なわれた｡以上のような検討の結見ポンプ低揚程時についてほ,ランナの出入口における衝撃損失およびキャビテーシ 15(∋′f】24す/:揚水分水量モデルによる突指程試験時のケーシングおよび吸込管内の水旺劫揺の測定紡果を第4図に示す｡実物の場合はコンクリート中にポンプ水中の仕様ほ次のように決定雌込まれるため,これらに起l勾する放伐振動についてほ模型試験された｡ (a) 転程ポンプ水車の運転特性 3.2 総発生電力量(lγ)=自流分り竹)＋揚水分(Ⅳ2) ただし, に脚‖現水中運転時の状態とは必ずしも一致しないが,水力的振動はある程度の相似有効落差基叫仁損何歳低位用水量 97m llln1 53m 出性があるものとみられ,参考までに高揚程,少水量時に案内羽根力 87,0001くW 悶度が適正でない場合も示す｡国中ハッチングの範囲外の閃度の 87,000kW(制限) 運転ほあり得ないものであって,従来より各ポンプ水車について 33,500kW 同様の横形試験を行ない,実物運転時の予想を立てでぎゴi),本例有効落差81ヘノ97mにて100m3/′sとにつきこれらの一例を示した｡.なおポンプ起動時などにおける水し,97m以上では出力を一定とし, 圧動揺はこれらと多少異なったものとなっている｡実際上可動案内羽根を有するポンプ水車にては,揚程に応じた流量を制限する｡出力基準落差97mにおいて87,0001くW, 適1E閃度で運転するが,揚水量の小さい場合(高揚程時),あるいー151一 1912 昭和39年11月 _1土評論第46巻第11号鉄管が葬る図のように水平に配置される場合は負圧に対し安全 U】=n2 /ウ ′′ ′一′// / 側にあるが,一部水平部を有し,あと傾斜をもってポンプ水車に / V2 つながるような鉄管においてほ,急激な水圧変化に対し安全なよ Wl うiこ鉄管の水うド部に牢気弁を設置して,水圧管を保護することが望ましい｡ 4.発電電動機添字1ほ100%落差(屁高効率時の落差) 2は 50%落差(低落差時) 第5陶圧 4.1電水中運転時入U速度三角形負荷の中心が京浜_1二実地帯にあるものとし,発生電力は京浜工業地帯に送られ,一方揚水運転時の所要電力は,負荷中心周辺の火力 EL 発電所から供給されるものと想定し,負荷地点における供給電圧を 805 +--⑥･ EL 850 一定とすれば J丘=(∫｡＋J〃)之二④二忙 D=7皿 †⑤1 ㌃十⊥62･5 (非常時水位)EL￣子兎.5 EL742.632 EL 』虎:発電時と揚水時の発電電動機端子電圧の差 737.632 f｡= 発電電動枚発電時の電流んす‥充電電動橙揚水時の電流 9m 之:変圧器および送電回路のインピーダンス第6図水圧鉄管路略図となり,』且は送電系統,潮流などから大略15%と予想された｡しかし変圧岩詩のタップ切替や他の電圧改善方法により減少し得るのでは揚水量の大きい場合(低揚程時)は包絡線特性においても効率』E=10% が低下し,この効率低下分の損失の一部が振動として表われるこすなわち揚水運転時の発電電動枚端子電圧は,発電運転時のそれにとは普通水車におけると同様である｡比し約10%低いものと決定された｡ (2)水車運転時の振動発電電動検温度上昇 4.2 普通水車においても変落差範開の大きい場合振動に対し十分な発電電動椒の経済性を左右する要素の一つとして,発電電動機各検討を要するが,ポンプ水車においてはランナ直径が大きいため部特に固定子および回転子の温度上昇がある｡ポンプ水車の特性上に,特に低落差時においては,ランナに流入する水の速度がラン発電機出力と電動機出力では必ずしも同等でなく,各運転時におけナ羽根角度と一致しなくなるために,羽根入口部で衝撃が生じ, る電圧･力率とも変わるので,いずれかの温度上昇に余裕が生じるこれが振動の原因となる｡いま最高効率を出す落差lこ対し50%落と不経済な機械となる｡この場合,設肺全体としこの経済性を審議差が下がった場合の羽根入口部における流速の変化の一例を示すするには,単に発電電動機のみでなく,ポンプ水車の経済性ならびと弟5図のとおりであり,低落差時の衝撃流れの様相がわかる｡にポンプ水車の特性と運転計画により決定する必要がある｡したがって,変落差範開の大きな場合は,この影響をさけるため (1)電動機出力に対する発電機容量ポンプ水車の設計上特別の配慮が必要となる｡電動検出力を82,000kW一定とし,発電機出力に対する発電電 (3)ポンプ運転に対する鉄管の負匠動楼の電量の変化を第7図に示す｡ただし,端子電圧は発電時ポンプ水車用の鉄管において考慮すべき事項として,ポンプ運転時にポンプトリップ現象や急激な揚水停止などが行なわれた場 13.2kV,揚水時12kVとし,力率は発電時0.9,揚水時1.0としてある｡合に,鉄管の各部における水圧変動,特に負圧の程度につき検弟7図において@の領域は温度上昇その他についてほ,電動検討した｡定格から決定され,電動校定格を満足すれば,発電機仕様を満足鉄管の条件は弟占図のとおりである｡する亀城であり,◎はこれとは逆に発電機定格により決定される (a)鉄管の平均径と長さおよび伝播速度筒域である｡中間の⑧の領域は,回転子が発電枚出力によって決平均長伝 (b)計播算速条径 d=5.64m 定される｡さ上=125m (2)発電電動機の二重定格度 α=1,000m/s 水車特性を十分生かすためには,発電機の出力を電動機の出力件(落差揚程の関係) に比し相当大きくせねばならない(K案)｡しかし年間の水位変動氏′=58.868m,払=59.5m 下計 C 部部算管上および流量の変化を考慮すれば,水車出力に見合う程度に発電機水位 796.5 出力を大きくしてもその利用率が悪くなる｡このため豊水時の短水位 737.632 期間だけ発電枚を過負荷運転することも考えられる｡この点より式定鉄発電機に約15%の過負荷容量をつけた二重定格について検討し数 2p=αぴ0/∂仇凡告=器欝×旦 (d)計算結し∴ た結果を重量比で示すと策2表のようになる｡第2表 (7 果一定重定二格二束定格(Ⅰ) 出 ①点の水圧降下率(%)=38 力車重Ⅰ二竺竺竺†ナ取出竺重㊦点の水圧降下率(%)=10.5 -152- 量 82MW 85MVA時のJ+Ⅴが 85MVA時の』.Ⅳが 100MVA時の 35%となる値 35%となる値』ノⅤが35%となる値 GD2 ㊥点の水圧降下率(%)=21 二重定格(Ⅱ) 壷壷表￣丁￣￣盲壷表発電機i電動機発信機!芯動機 2〝=7,凡旦与=0.015 (才格比較表 100% + 104% 107% 東成電力株式会社矢木沢発電所納87,000kWポンプ水中および85､000kVA発電電動駿 1913 14D 130 婆120 〔nl' ±ゴ〒て雫110 22.000 1句 100 紘 nS 1号■ラ謂 756.882､唱 90 七･鯨 50 1･000 は油タンク阜タワ旦 .∃空山ぺタンク EL730.132 1,800 El二才2モ払翌第7図 110 量重比較 731.000 可逆式揚水発電所においてポンプ起動の方法一小=オノ￣ r-8,500 としては Jlこ油タンク(BV用) 29,50()･- -ト電 100 電動機起動についてム4 EL 発 90 ｢串才ニヰノ′ 第8図 80 し信助樺山力82MW-一定とした上!.壬合) 書† EL737.000 ｢lll.rl L.1l･r.L737.6:52 ｢水面抑卜げ) ”三油タンク(制御叫 +十1 れ 70 --㊤発電機出力(ト川A) 1†.1V.l-742.632 油ポンプ用モータ 60 り-/クーー1 El+745.632 (制御用)､＼ ④一斗----⑥---一十--- 縦所断 L¥1 面同期起動法自己起動法起法動機などがあるが, 特別の設備を必要としない自己起動法が採用された｡また自己起動法にも鉄管分割巻線起動 F 低減電J王起動 -25･213｡｡Ⅴ…槽ぎ言19･￡500.ほ占官ぢJOプチ 7｢￣￣￣⊂⊃ などがあるが,主変圧器二次側半分の電圧のところに中間タップを設け50%電圧で起動する …; 方式が採用されている｡ J; 堅慧二喜肇頂牒一占 5,機器配置について (=) 揚水発電所用ポンプ水車においては,付属機喜T器が多いため,建屋内機器配置については十分工1 ll †N 一軍な検討が行なわれた｡隅喜子二書芸￣_妄･踪琵監藍三三竺‡ (=〉 ⊂⊃ 主機の据付様式ほバーレル半二床式で,弟8 卜 `,･`て【＼l￣￣,+ 1J ---し書 N iJ ナーープ･′LシャフトL一一一ケ迩･タ∴ミ十,Lポ1ソク･乙･水柵卜げJ口∫モユて槽｡卜l!l 晩由】図のような配置である｡EL741.132は組立室とし,この階には主として電気関係のキユーピクル煩が設置されている｡その下の階EL734.132 i･こは,圧油ポンプ,圧油槽関係が設置され, 第9図発電所輔什平面 L望1 EL732.632には空気圧締棟および水面抑下装置の空気槽などが設置される｡第9図は水車宅 4.3 発電電動機仕様三戸両国を示す｡ポンプ水車の特性と運転計l何ならぴに発電電動機･ポンプ水中の d.緒経済性を検討のうえ決定された発電電動践の仕様を次に示す｡発電電動機什梯形式言本稿においては,主として矢木沢発電所の仕様決定に至る共同研二こ!滴拍ゝさ形回転界磁問鈴通風術環形(空気冷究の内容とポンプ水車および発電電動機の一般的仕様などにつき述却器付) べたが,第1期工事2台は昭和40年8月,第2期工事1台は昭和41 年8月に通水され,社内試験を行ない引きつづき運転にはいる予定定格連続容景 85,000kVA 電動機として87,000kW である｡なおこれらの主機および運転制御装置などの詳細について電正 13,800V 電動機として12,弓00V は,後日稿をあらためて紹介する次第である｡力率 O.94 電動機として1.0 終わりに本主概仕様の決定にいたる共同研究については,種々貴周波数 50c/s 重な指針を与えていただいた東京電力株式会社関係者各位に本稿を回転数 150rpm かりて厚くお礼を申し上げる次第である｡ー153¶