発電機のモータリングとは？逆電力が起きる原因・問題点と対策

発電機のモータリングとは、タービンなど原動機の力がなくなった発電機が、系統から電力を受け取って電動機として回り続ける現象です。電力の向きが通常と逆になるので「逆電力」とも呼ばれます。

このとき傷むおそれがあるのは発電機ではなく、回される側になった原動機で、蒸気タービンでは、最終段の翼の過熱や振動につながります。

この記事では、モータリングが起きる仕組み、蒸気タービンで起きる問題、逆電力継電器とガバナによる対策、よくある質問の順に整理します。

発電機のモータリングとは

発電機のモータリングとは、発電機が他の電源から電力の供給を受けて、電動機として回転する現象のことです。通常の蒸気タービン発電機では、高温高圧の蒸気がガバナ（調速機）で量を調整されてタービンに入り、蒸気の熱落差でタービンが回り、発電機が電力を系統へ送ります。

ところがボイラーの事情などで蒸気量が足りなくなると発電に必要な熱落差が得られず、発電機は逆に系統から電力を受け取り、電動機として回り始めます。

熱落差の考え方は熱落差とは？断熱熱落差とタービン効率の公式で詳しく扱っています。系統につながった同期発電機は、系統の周波数に合わせた回転数で回ります。原動機の力がなくなっても回転数は変わらず、電力の向きだけが逆になります。

図1：通常運転とモータリングの電力の向き

機械の並びも回転の向きも同じです。変わるのは、力と電力がどちらからどちらへ流れるかです。

※同期発電機は系統の周波数で決まる回転数のまま回るため、外から見ても回転の変化では気づきにくい現象です。

モータリングのきっかけになるのは、タービンへの蒸気が急に減ったり止まったりする場面です。

• ボイラーがトリップ（緊急停止）して蒸気が来なくなる
• 主蒸気止め弁が閉じる、ガバナ弁を絞りすぎる
• 停止操作で、蒸気を止めたあとも発電機を系統につないだままにする

運転員から見える手がかりは発電機の電力計で、有効電力がゼロを下回り、受電側を指していればモータリングを疑います。

発電機と電動機は、回すか回されるかが違うだけで構造は同じです。そのためモータリングが起きても発電機自体に問題はありませんが、回される側になった蒸気タービンでは、翼の振動や過熱などの問題が起きます。

系統から受け取る電力（モータリング電力）は、止まった原動機を回すのに必要な損失の分だけなので、原動機の種類で大きく違います。

図2：原動機ごとのモータリング電力

定格出力に対する割合で表します。蒸気タービンは小さく、検出が難しい側です。

モータリング電力の目安

特徴

蒸気タービン（復水器が全真空）

定格の0.5〜3%

受け取る電力が非常に小さく、逆電力継電器に高い感度が要る

水車

放水路の水位が翼より下なら0.2〜2%

水位が翼より上だと大きくなる

エンジン・ガスタービン

比較的大きい

圧縮機やシリンダを回す分の電力を受け取る

※SEL（Schweitzer Engineering Laboratories）の論文に示された目安です。実機の値は、試運転で測って確かめます。

発電機のモータリングの問題点

発電機のモータリングが起きると、蒸気タービン側で次のような問題が起きます。

• 蒸気タービンの振動、羽根への応力発生
• 復水器側での過昇温

蒸気タービンの羽根（翼）は、蒸気の力を効率よく軸に伝える形に設計されています。回される側になると、想定と違う流れの中で力を受けることになります。

特に低圧の最終段の長い翼が弱い所で、蒸気の量が少ないと、最終段の翼の付近に逆流が生まれ、翼の先端に大きな振動応力がかかります。

東芝の特許では、この振動が起動時の無負荷運転、低負荷運転、低真空での運転で問題になると説明されています。大きな振動応力が繰り返しかかって疲労が積み重なれば、変形や損傷につながります。

もう一つの問題は温度で、復水タービンでは、仕事を終えた蒸気が復水器で冷やされて水に戻ります。モータリング中はタービンに流れる蒸気がほとんどなく、翼が残った蒸気をかき回す「風損」の熱を運び出す流れがありません。その結果、最終段の翼のまわりと排気室の温度が上がります。

復水器と排気室は、ふつうそのような高い温度を前提にしておらず、復水器側が過昇温になり、圧力の上昇や材料の許容温度の超過を起こすおそれがあります。復水器が真空を保つ仕組みは復水器とは？真空になる理由と役割・構造で解説しています。

図3：蒸気が止まったタービンで起きる2つの問題

どちらも「蒸気の流れが少ないまま定格回転で回る」ことが出発点です。原因と結果を分けて見ます。

振動・翼の応力原因体積流量が小さく、最終段の翼の付近に逆流域ができる結果翼の先端に大きな振動応力。疲労が積み重なると変形・損傷

排気側の過昇温原因翼が残った蒸気をかき回す風損の熱を、運び出す蒸気がない結果最終段・排気室・復水器側の温度が上がり、圧力上昇や許容温度の超過

※東芝の特許（US10301965B2・US10316697B2）の背景技術の説明をもとに整理しました。許される無負荷運転の時間や警報値は、機種ごとにメーカーが決めています。

温度上昇への備えとして、排気室に水をスプレーして最終段の翼と排気室を冷やす装置もあります。ただしこれは低負荷運転を支える設備で、モータリングを長く続けてよい理由にはなりません。

工場へ蒸気を送りながら発電するタービンの構成は抽気とは？意味と抽気復水タービンの仕組みにまとめています。

発電機のモータリング対策

発電機のモータリング対策には、次のようなものがあります。

図4：モータリングを防ぐ3つの仕組み

電気の側で検出し、タービンの側で予防し、止めるときは順番を守ります。

検出逆電力継電器発電機に流れ込む電力を測り、設定値を超えたら系統から切り離す

予防ガバナの無負荷時間弁が無負荷の開度以下のまま一定時間たてば、異常として切り離す

停止の順番逐次トリップ蒸気弁が閉じたことを逆電力で確かめてから、遮断器を開く

逆電力継電器を入れる

発電機と系統の間に逆電力継電器を設け、逆電力が出たら発電機を系統から切り離します。英語の Reverse Power Relay から RPR と呼ばれます。

国内の器具番号（JEM 1090）では、逆電力継電器は「67P」で、三菱電機の解説の対比表や、オムロンの製品資料の「RPR（67P）」がこの書き方です。IEEE 系の器具番号では方向電力継電器は 32 で、逆電力の要素を 32R と書きます。

このとき、蒸気タービン側と発電機側の機械損失の合計を見積もり、どの程度の電力を受け取るとモータリングなのかを検討します。

SEL の論文では、余裕を見て整定値（動作する電力）を想定モータリング電力の50%にするのが一般的とされています。実際のモータリング電力は試運転で測り、整定を合わせ直すことが多いとも書かれています。

蒸気タービンの逆電力継電器は、小さな電力を測らなければならず、定格の0.5%前後の電力は、力率1で運転していれば電流にしても定格電流の1%にも届きません。

さらに意図しないモータリングでは、AVR（自動電圧調整器）が電圧を保とうとして無効電力が残ることがあります。力率がほぼゼロの大きな電流の中から小さな有効電力を取り出すので、計器の角度誤差で検出を外すおそれがあります。

有効電力と無効電力の関係は力率とは｜有効・無効・皮相電力の関係で図にしています。

逆電力継電器には時限（動作までの遅れ）も持たせます。同期投入の直後や系統の電力動揺で一瞬だけ逆電力になっても、不要に発電機を切り離さないためです。同期投入の条件は同期投入とは何か、同期投入に必要な条件で整理しています。

逆電力継電器には、停止の順番を守るための役目もあります。蒸気が残ったまま遮断器を先に開くと、系統の周波数による拘束がなくなり、タービンが過速度になるおそれがあるからです。

そこで計画停止などでは、先にタービンをトリップさせ、わざと短時間モータリングさせて蒸気弁が閉じきったことを確かめてから遮断器を開きます。これを逐次トリップ（シーケンシャルトリップ）と呼びます。

図5：逐次トリップの順番

遮断器を開くのは最後です。逆電力が出たことが「蒸気が止まった」証拠になります。

01タービントリップ主蒸気止め弁・加減弁を閉じる。発電機は系統につないだまま

02モータリングになる蒸気が止まり、発電機が系統から電力を受け取る

03逆電力を検出逆電力継電器が動作し、弁が閉じたことを確かめる

04遮断器を開く蒸気がないので、切り離しても過速度にならない

※SEL の論文では、逐次トリップの間は AVR を力率1の運転に切り替えると、逆電力要素が確実に動くとされています。実際の手順は設備ごとに決まっています。

ガバナの無負荷連続時間を設ける

蒸気タービン側では、無負荷のときのガバナ開度を基準にします。系統につないだまま、それ以下の開度での運転が一定時間以上続けば、異常として系統から切り離す仕組みを設けます。こうすることで、蒸気が供給されない状態で発電機がモータリングする事態を防げます。

この方法は電力を測らず、弁の開度で判断するため、小さな逆電力を測りにくい蒸気タービンでは、逆電力継電器の後ろ盾になります。

保護継電器の側にも、似た考え方の「低順電力」方式があります。発電機の出力が小さな正の値を下回ったら動作させるもので、同期投入の直後は出力が上がるまで働かないようにしておきます。

ガバナが弁を動かす仕組みは蒸気タービンの制御方法とガバナの仕組みで、系統並列中の出力の決まり方はドループ制御とアイソクロナス制御の違いで解説しています。

発電機のモータリングのよくある質問

受電点の逆電力継電器（RPR）とは何が違う？

見ている場所と守るものが違い、発電機保護の逆電力継電器は、発電機に流れ込む電力を見て原動機を守ります。

受電点の RPR は、構内の自家発や太陽光から電力会社の系統へ流れ出る電力（逆潮流）を見ます。逆潮流なしの条件で連系する設備で、単独運転を防ぐために置かれることがあります。

どちらも「電力の向き」を見る継電器ですが、整定の考え方は別物です。受電点の要件は、資源エネルギー庁の系統連系技術要件ガイドラインと電力会社の要件で決まります。

エンジンの「モータリング」とは別の意味？

自動車やエンジンの分野でモータリングといえば、燃料を燃やさずに、エンジンを外のモーターで回すことです。部品の摩擦損失を測る「モータリング法」の試験として、わざと行います。

「外から回される」点は発電機のモータリングと同じで、違いは、発電機の場合は意図しない異常として起き、保護の対象になることです。

ガスタービンやディーゼル発電機でも起きる？

起きます。原動機の力がなくなれば、どの発電機も系統から電力を受け取って回り続けます。

ただしガスタービンやエンジンは、圧縮機やシリンダを回す分だけモータリング電力が大きく、傷み方も蒸気タービンとは違います。蒸気タービンの説明をそのまま当てはめず、原動機のメーカーの資料で許容時間と整定を確かめます。

モータリングすると発電機は壊れる？

発電機そのものにはリスクはないとされており、SEL の論文でも、モータリングは発電機には危険がなく、原動機に損傷のリスクがあると説明されています。

逆電力継電器が守っているのは、発電機ではなくタービンやエンジンです。背圧タービンのように復水器を持たない機種でも、蒸気が止まれば同じ考え方で保護し、詳しい構成は背圧タービンとは？復水タービンとの違いで扱っています。

まとめ

発電機のモータリングはめったに起こることではなく、起こっても見た目では分かりにくい現象です。どのような状態で発電機が回転していればモータリングと言えるのかを、電力計と保護継電器の動きで把握しておくことが大切です。

発電機とタービンの保護は、運転だけでなく設備の計画・更新でも問われます。関わる仕事はプラントエンジニアの仕事や製造業のエネルギー管理士の仕事で紹介しています。

出典

出典・参考資料（8件）を開く出典・参考資料を閉じる

• モータリング電力の目安・整定の考え方・逐次トリップ：D. Finney ほか（SEL）「Generator Motoring Protection – Are You Protected?」
• 蒸気タービンが風損と摩擦損失の分の電力を引き込むこと：M. Thompson, D. Finney（SEL）「Antimotoring Protection With Dependability-Biased Characteristic」（2016）
• 低体積流量での最終段翼の逆流と振動応力：東芝 米国特許 US10301965B2「Steam turbine」
• 無負荷・極低負荷での風損による最終段・排気室の温度上昇と排気室スプレー：東芝 米国特許 US10316697B2「Steam turbine exhaust chamber cooling device and steam turbine」
• 逆電力継電器の器具番号 67P（JEC-2500 の名称と JEM 1090 の器具番号の対比）：三菱電機 FA e-learning「保護継電器の名称と記号」
• 逆電力継電器の表記 RPR（67P）：オムロン「保護継電器 形KP-PRRV-CPC」データシート
• 逆潮流なしの連系での逆電力リレー：資源エネルギー庁「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」（令和6年12月1日改定）
• エンジンのモータリング法：日本自動車研究所「エンジン部品の摩擦力測定試験」