哈電集団、世界初の35kV高圧直結型分散型同期調相機を開発　再エネ系統の安定化に貢献

この記事のポイント

• 世界初となる35kV高圧直結型の分散型同期調相機を開発し、昇圧変圧器の省略に成功
• 新規マイカ絶縁構造と調相機初となる「空水冷」技術により、35kVの高耐圧と放熱を両立
• 再生可能エネルギーの導入拡大で低下する系統の慣性力（イナーシャ）を大幅に強化
• 短絡容量を2倍以上に向上させ、風力発電所の送電能力を10万kWから20万kWへ倍増

再エネ系統の電圧急変を防ぐ「スーパー安定化装置」

風力発電などの再生可能エネルギーは天候によって出力が変動し、系統電圧が不安定になりやすい課題を抱えています。こうした課題を解決するため、中国広核集団（CGN）の勝山風力発電所（黒竜江省孫呉県）において、世界初となる35kV高圧直結型分散型同期調相機（Synchronous Condenser）が導入されました。

同期調相機は、電力系統の重要拠点に接続される「スーパー安定化装置」です。再エネの大幅な出力変動や系統への衝撃が発生した際、瞬時に無効電力を供給または吸収して電圧を安定させ、大規模停電のリスクを低減します。従来の調相機の定格電圧は10.5kVであり、系統接続には35kVへ昇圧するための変圧器が必要でした。しかし、変圧器と調相機の2台を設置すると設置面積が肥大化し、応答速度の低下や損失の増加、故障リスクの増大につながります。哈電集団哈爾濱電機廠有限責任公司（以下、哈電電機）は2年5カ月の開発期間を経て、35kVに直接連系できる調相機の開発に挑みました。

第1の難関：前例のない35kV耐圧絶縁構造の開発

電圧を従来の10.5kVから35kVへ引き上げるにあたり、最大の障壁となったのが導線の絶縁構造です。高電圧に耐えうる絶縁層を形成しなければ、絶縁破壊による地絡事故を引き起こします。過去に27kVクラスの絶縁技術は存在していたものの、35kVに対応する技術は世界にも前例がありませんでした。

開発チームはマイカ（雲母）を用いた独自の絶縁構造を設計しました。しかし、層ごとの厚みや隙間を作らないプレス方法の確立は困難を極め、初期の高圧試験ではコロナ放電や絶縁破壊が頻発しました。チームは1年以上にわたり64本に及ぶ試験コイルバー（線棒）の試作と100回以上の試験を繰り返し、定格電圧の約3倍に耐えうる絶縁構造を確立することに成功しました。

第2の難関：高耐圧と放熱を両立する「空水冷」技術の確立

絶縁性能を確保したものの、次に直面したのが熱の問題でした。高圧に耐えるために絶縁層を厚くした結果、熱が内部にこもり、コイルの温度上昇による絶縁劣化を招くという高圧モーター特有のジレンマに直面しました。

そこで開発チームは、同期調相機としては初となる「空水冷」ハイブリッド冷却技術を考案しました。発熱の大きいコイル部分には中空導線内部に直接冷却水を通す水冷方式を採用し、回転子の摩擦熱などには空冷方式を適用することで、耐圧性能と放熱性能の両立を図りました。特に3ターン（三匝）水冷コイルバーの接合部における溶接・密閉は前例がなく、わずかな水漏れも重大な短絡事故につながるため、半年間に及ぶ試行錯誤と探傷検査を重ねて高度な溶接プロセスを確立し、完全な気密性を実現しました。

第3の難関：系統の「慣性力」向上と装置の小型化の両立

従来の電力系統は、火力や水力の大型発電機が持つ巨大な回転子の回転慣性（イナーシャ）によって電圧や周波数の急変を防いでいました。しかし、インバーターなどのパワーエレクトロニクス機器を介して連系する太陽光や風力発電の比率が高まると、系統全体の慣性力が低下し、系統が不安定になりやすくなります。

調相機にはこの不足した慣性力を補う役割が求められます。チームは回転速度を半減させ、回転子を太く重く設計することで、従来型の6倍に達する慣性力を生み出しました。一方で、回転速度を落とすと機器本体が大型化し、風力発電所の設備スペースや輸送制限に抵触するという課題が生じました。これに対し、3ターンコイルバー構造を導入することで、35kVの高電圧に対応しながら発電機の体積を小型化し、「省スペースかつ大慣量」という相反する要件を克服しました。

実証試験をクリア、発電能力は2倍に拡大

完成した実機は孫呉の現場へ輸送され、試運転を経て168時間の連続全負荷試験をトラブルなくクリアしました。

導入後の実証データによると、系統の短絡容量は2倍以上に増加し、短絡比は50%向上、慣量サポートは70%向上しました。これにより、同風力発電所の送電可能容量は10万kWから20万kWへと倍増しました。専門家からも、高割合で再エネを導入する電力系統の安定制御を実現する中核機器として高く評価されており、新型電力システムの構築を支える基盤技術として期待が集まっています。

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