水力・火力・原子力・太陽光・変電機器
総落差54m、水圧管路等の損失水頭4m、使用水量20m³/s、水車と発電機を合わせた総合効率85%の水力発電所の発電機出力として適当なものは、次のうちどれか。
解答正解 2
水力発電所の出力は P＝9.8QHη〔kW〕で求める。ここでHは総落差から損失水頭を差し引いた有効落差であり、54−4＝50mとなるので、P＝9.8×20×50×0.85＝8,330kWとなる。総落差をそのまま代入したり、効率を掛け忘れたり、効率で除したりする誤りが多いので、式の各記号が何を指すかを確認して代入する。
水車の種類と特徴に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 4
カプラン水車は、負荷に応じてランナ羽根の角度を変えられる可動羽根式のプロペラ水車であり、部分負荷でも効率の低下が小さいことが特徴である。羽根角度が固定されたものは固定羽根プロペラ水車で、これと逆に覚えていると取り違える。衝動水車（ペルトン）は水の速度エネルギーを、反動水車（フランシス・プロペラ・カプラン）は圧力エネルギーを利用する点で区別する。
水の利用面からみた水力発電の発電方式に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 2
揚水式は上部・下部の2つの調整池をもち、軽負荷時の余剰電力で下池から上池へ揚水し、ピーク時に発電する方式である。流込み式・調整池式・貯水池式・揚水式は「どの程度の期間の需要変動に対応するか」で区別すると整理しやすく、調整池式は日間から週間、貯水池式は季節間の調整に対応する。
水車のキャビテーションに関する次の（イ）〜（ニ）の記述のうち、適当なものの数として適当なものは、次のうちどれか。 （イ）流水中の圧力が局部的にその水温における飽和蒸気圧以下まで低下して気泡が生じ、圧力の高い箇所へ流されて消滅する現象である。 （ロ）キャビテーションが発生すると、ランナやガイドベーンに壊食が生じ、振動・騒音や効率の低下を招く。 （ハ）キャビテーションの防止には、水車の吸出し管の吸出し高さをできるだけ大きくとることが有効である。 （ニ）キャビテーションの防止には、水車を過度の部分負荷や過負荷の状態で長時間運転しないことが有効である。
解答正解 3
適当なものは（イ）（ロ）（ニ）の3つである。キャビテーションは圧力低下によって気泡が生じ、圧力の高い箇所で崩壊する際の衝撃で壊食を生じる現象であり、防止には圧力低下を抑えることが基本となる。吸出し高さを大きくとるとランナ出口の圧力が下がって発生しやすくなるため、（ハ）は逆であり、「高さを小さくする（ランナを放水面に近づける）」が正しい方向である。
水力発電所の調速機及び水撃作用に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
調速機（ガバナ）は回転速度の変化を検出してガイドベーンやニードル弁の開度を加減し、回転速度すなわち周波数を一定に保つ装置である。急な負荷遮断でガイドベーンを急閉すると水圧管路内に水撃作用（圧力上昇）が生じるため、圧力水路と水圧管路の接続部にサージタンクを設けて圧力変動を吸収する。水撃作用は流速変化が急なほど、また管路が長いほど大きくなる点に注意する。
汽力発電の熱サイクルに関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
再熱サイクルは高圧タービンの排気をボイラの再熱器で再加熱して低圧タービンへ送るもので、熱効率の向上とともにタービン最終段の湿り度低減によるエロージョン防止にも効果がある。再生サイクルはタービンの途中から蒸気を抽気して給水加熱器で給水を加熱するもので、「再熱＝蒸気を加熱し直す」「再生＝抽気で給水を温める」と対で覚えると混同しにくい。
汽力発電所に用いるボイラに関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 4
貫流ボイラは蒸気ドラムをもたず保有水量が少ないため、起動が速く負荷変動への応答も速い反面、水位による緩衝作用がないので給水と燃焼の精密な制御と高い給水純度が要求される。また水と蒸気の密度差を利用しないため、密度差が消失する超臨界圧にも適用できる点が最大の特徴である。保有水量の多少と超臨界圧適用の可否を取り違えないこと。
発電機出力100,000kWで1時間運転したときの重油消費量が20t、重油の発熱量が44,000kJ/kgであった汽力発電所の発電端熱効率として適当なものは、次のうちどれか。ただし、1kW・h＝3,600kJとする。
解答正解 3
発電端熱効率は、発生電力量を熱量に換算した値を投入燃料の総発熱量で除して求める。発生熱量は100,000kW×1h×3,600kJ/(kW・h)＝3.6×10⁸kJ、投入熱量は20,000kg×44,000kJ/kg＝8.8×10⁸kJなので、熱効率は3.6/8.8≒0.409となり約40.9%である。1kW・hを3,600kJに換算する手順を落とすと大きく外れるので、単位をそろえてから比をとる。
ガスタービン及びコンバインドサイクル発電に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 4
ガスタービンの熱効率は、作動ガスの入口温度が高いほど高くなるため、耐熱材料と翼冷却技術の進歩によって入口温度を上げることが高効率化の主要な手段となってきた。コンバインドサイクルはガスタービンと蒸気タービンを組み合わせて排熱を回収するため、汽力発電単独より熱効率が高く、起動時間が短い点も特徴である。
火力発電所の大気汚染防止対策に関する次の記述の に当てはまる語句の組合せとして、適当なものはどれか。 「排煙脱硫装置は、排ガス中の（ア）を石灰石のスラリーに吸収させて除去し、副生品として石膏を回収する。排煙脱硝装置は、（イ）を注入して触媒上で排ガス中の窒素酸化物を窒素と水に分解する。また、排ガス中のばいじんの除去には（ウ）が広く用いられる。」
解答正解 3
排煙脱硫は硫黄酸化物（SOx）を対象とし、湿式石灰石膏法では石灰石スラリーにSO₂を吸収させ、酸化して石膏として回収する。排煙脱硝は窒素酸化物（NOx）を対象とし、アンモニアを注入して触媒上で窒素と水に分解する選択接触還元法が主流である。ばいじんはコロナ放電で帯電させて集じん極に捕集する電気集じん器で除去する。脱硫＝SOx・石灰石、脱硝＝NOx・アンモニアという対応を取り違えないこと。
原子力発電に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
沸騰水型原子炉（BWR）は炉心で直接蒸気を発生させる直接サイクルで、蒸気発生器をもたない。加圧水型原子炉（PWR）は一次冷却水を加圧して沸騰させず、蒸気発生器を介して二次系で蒸気をつくる間接サイクルである。制御棒はBWRが下部から、PWRが上部から挿入される点も対で問われる。軽水炉では減速材・冷却材のいずれにも軽水（普通の水）を用いる。
太陽光発電システムに関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 4
市販モジュールの変換効率は単結晶シリコンが最も高く、多結晶シリコン、薄膜アモルファスシリコンの順に低くなる。アモルファスシリコンは温度特性がよく低コストである点が長所であり、変換効率で優れるわけではない。パワーコンディショナは直流を交流に変換するだけでなく、MPPT制御と系統連系保護（単独運転検出を含む）を担う点も併せて押さえる。
風力発電に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 2
風がもつ運動エネルギーは受風面積に比例し、風速の3乗に比例して増大する。したがって風速が2倍になれば風力エネルギーは8倍になり、風況の良否が発電量を大きく左右する。中形・大形の風車は水平軸形の3枚翼プロペラ式が主流であり、風車が取り出せるのは風の運動エネルギーの一部にとどまる。
燃料電池及びコージェネレーションシステムに関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 3
燃料電池は水素と酸素の電気化学反応によって直流電力を直接取り出す装置で、生成物は主に水である。直流を発生するため、系統連系にはインバータを含むパワーコンディショナが必要となる。作動温度はりん酸形が約190〜200℃、固体酸化物形が約600〜1,000℃で、高温形ほど発電効率が高い傾向にある。
変電所に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 4
変電所の役割は、電圧の変成、電力の集中・分配、系統事故時の事故区間の切離し、電圧・無効電力の調整などである。変圧器は電圧を変えるだけで周波数は変えられない。母線結線方式は単母線方式が最も簡単で経済的だが運用の自由度は低く、二重母線方式のほうが点検時や系統切替時の融通性に優れる。
遮断器に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
真空遮断器（VCB）は高真空中でのアーク生成粒子の急速な拡散によって消弧するもので、消弧媒体を必要とせず保守が容易なため高圧受電設備で広く用いられる。ガス遮断器（GCB）は空気の約3倍の絶縁耐力をもつ六ふっ化硫黄（SF₆）ガスを用いるが、SF₆は地球温暖化対策の推進に関する法律で温室効果ガスに位置付けられており、大気への放出を避ける回収管理が必要である。
変電所及び受電設備における断路器と遮断器の操作に関する次の記述の に当てはまる語句の組合せとして、適当なものはどれか。 「断路器は（ア）を遮断する能力をもたないため、単独で開閉操作をしてはならない。したがって停電操作では、まず（イ）を開放して電流を零にした後に断路器を開放する。送電操作ではこれと逆の順序で、（ウ）を投入した後に遮断器を投入する。」
解答正解 1
断路器は充電された電路を無電流の状態で開閉して回路を確実に切り離すための機器で、負荷電流や短絡電流を遮断する能力をもたない。そのため停電時は「遮断器を開放してから断路器を開放」、送電時は「断路器を投入してから遮断器を投入」の順序となる。断路器を負荷電流が流れたまま開放するとアークが継続し、短絡・地絡事故に至るおそれがある。
避雷器及び絶縁協調に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 3
避雷器と被保護機器との距離が離れるほど、進行波の往復による電圧上昇で機器端子の電圧が制限電圧より高くなるため、避雷器は被保護機器にできるだけ近接して設置する。電気設備に関する技術基準を定める省令第49条は、発電所・変電所等の架空電線引込口及び引出口などを避雷器等の措置を講ずべき箇所として定めている。絶縁協調は避雷器の制限電圧を基準に各機器の絶縁強度を決める考え方である。
保護継電器に関する次の（イ）〜（ニ）の記述のうち、適当なものの数として適当なものは、次のうちどれか。 （イ）過電流継電器は、電路に過負荷電流や短絡電流が流れたことを検出して動作する。 （ロ）比率差動継電器は、変圧器の一次側と二次側の電流の差を検出して、変圧器の内部故障を検出する。 （ハ）不足電圧継電器は、電路の電圧が異常に上昇したことを検出して動作する。 （ニ）地絡継電器は、三相の電流が互いに平衡していることを検出して動作する。
解答正解 2
適当なものは（イ）（ロ）の2つである。不足電圧継電器は電圧が整定値より低下したときに動作する継電器であり、電圧上昇を検出するのは過電圧継電器である。地絡継電器は零相変流器などで検出した零相電流（地絡電流）によって動作するもので、三相電流が平衡している状態は正常であり動作の要因にはならない。継電器の名称と検出量を一対一で結び付けて覚えること。
変電所の調相設備に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 2
調相設備は無効電力を調整して受電端電圧を適正に保つ設備である。電力用コンデンサは進み無効電力を供給して遅れ力率の負荷を補償するため重負荷時に投入し、分路リアクトルは進み無効電力を吸収するため、長距離送電線などで生じるフェランチ効果による軽負荷時の電圧上昇を抑える目的で投入する。両者の投入時期と作用が逆になりやすい。