水力発電所の理論水力Pは位置エネルギーの式からP=ρgQHと表される。ここでH[m]は有効落差、Q[m³/s]は流量、gは重力加速度=9.8m/s²、ρは水の密度=1000kg/m³である。

以下に理論水力Pの単位を検証することとする。なお、Paは「パスカル」、Nは「ニュートン」、Wは「ワット」、Jは「ジュール」である。

P=ρgQHの単位はρ、g、Q、Hの単位の積であるから、kg/m³・m/s²・m³/s・mとなる。これを変形すると、(　ア　)・m/sとなるが、(　ア　)は力の単位(　イ　)と等しい。すなわちP=ρgQHの単位は(　イ　)・m/sとなる。

ここで(　イ　)・mは仕事(エネルギー)の単位である(　ウ　)と等しいことからP=ρgQHの単位は(　ウ　)/sと表せ、これは仕事率(動力)の単位である(　エ　)と等しい。

ゆえに、理論水力P=ρgQHの単位は(　エ　)となるが、重力加速度g=9.8m/s²と水の密度ρ=1000kg/m³の数値9.8と1000を考慮するとP=9.8QH[(　オ　)]と表せる。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

　　　　(ア)　　　(イ)　(ウ)　(エ)　(オ)

1. kg・m　　　 Pa　　W　　J　　kJ
2. kg・m/s²Pa　　J　　W　　kW
3. kg・m　　　 N　　 J　　W　　kW
4. kg・m/s²N　　W　　 J　　kJ
5. kg・m/s²N　　 J　　W　　kW

　解 説　　　　

(　ア　)の直前にある積を一旦まとめて、その後、(　ア　)の直後にある「m/s」を分けると、以下のようになります。

よって、(　ア　)には「kg・m/s²」が入ります。これは[N](ニュートン)と等しいので、(　イ　)には「N」が入りますが、これを知らなくても、(　イ　)の直前に「力の単位」とはっきり書いてあるのでわかりやすいと思います。ちなみに、[Pa](パスカル)は圧力の単位で、変換すると[N/m²]や[kg/(m・s²)]などと表すことができます。

(　ウ　)は仕事(エネルギー)の単位なので、[J](ジュール)が正しく、(　ウ　)には「J」が入ります。[W](ワット)のほうは、[J/s]と等価であり、仕事率(動力)の単位なので、(　エ　)に入るのが「W」です。

(　オ　)について、2つ目の(　エ　)のところを読むとわかるように、理論水力Pの単位は[W]となります。よって、Pの式にg=9.8とρ=1000を代入すると、Pは次のように表すことができます。

よって、その単位は[kW]となるので、(　オ　)には「kW」が入ります。

以上から、

• ア：kg・m/s²
• イ：N
• ウ：J
• エ：W
• オ：kW

となるので、正解は(5)です。

汽力発電所における再生サイクル及び再熱サイクルに関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 再生サイクルは、タービン内の蒸気の一部を抽出して、ボイラの給水加熱を行う熱サイクルである。
2. 再生サイクルは、復水器で失う熱量が減少するため、熱効率を向上させることができる。
3. 再生サイクルによる熱効率向上効果は、抽出する蒸気の圧力、温度が高いほど大きい。
4. 再熱サイクルは、タービンで膨張した湿り蒸気をボイラの過熱器で加熱し、再びタービンに送って膨張させる熱サイクルである。
5. 再生サイクルと再熱サイクルを組み合わせた再熱再生サイクルは、ほとんどの大容量汽力発電所で採用されている。

　解 説　　　　

再生サイクルは、(1)にあるように、タービンに入った蒸気の一部を抽気して、その蒸気で給水を加熱するのに利用します。つまり、蒸気の一部を給水加熱器の熱源として使うような熱サイクルです。

一方、再熱サイクルは、タービンで仕事を終えた蒸気を再熱器へと導き、蒸気を加熱し直してから再びタービンへつないで、もう一度仕事をさせるタイプの熱サイクルです。蒸気の流れとしては、「ボイラ」→「過熱器」→「高圧タービン」→「再熱器」→「中・低圧タービン」のような順路をたどります。

よって、(4)において2回目のタービンの前で加熱する場所は「過熱器」ではなく、正しくは「再熱器」となります。

また、上記の再生サイクルと再熱サイクルを組み合わせたものは、(5)の通り、再熱再生サイクルと呼ばれています。これは双方の長所を取り入れているので、より効率の良い発電方式です。

定格出力10000kWの重油燃焼の汽力発電所がある。この発電所が30日間連続運転し、そのときの重油使用量は1100t、送電端電力量は5000MW・hであった。この汽力発電所のボイラ効率の値[%]として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

なお、重油の発熱量は44000kJ/kg、タービン室効率は47%、発電機効率は98%、所内率は5%とする。

1. 51
2. 77
3. 80
4. 85
5. 95

　解 説　　　　

まずは入力の電力量を計算します。一定期間の間に使用した重油の量は1100[t](=1100×10³[kg])で、重油の発熱量は44000[kJ/kg](=44[MJ/kg])なので、理論的な電力量は次のように計算できます。

この入力に対し、ボイラ、タービン室、発電機のそれぞれで損失が生じ、また、所内で消費する分も差し引いたものが最終的な出力である送電端電力量となります。

上記の3つの損失のうち、求めたいボイラ効率をη%とします。タービン室効率と発電機効率は問題文より、それぞれ47%と98%になります。また、所内率が5%ということは、送電端電力量としてカウントできるのは、全体の95%ということになります。

そして、送電端電力量は5000[MW・h]ですが、入力の電力量と比較しやすいように、以下の計算によって単位を[J]に変換しておきます。

以上より、入力に諸々の効率を掛け合わせていったものが出力となるので、次の計算式を解くことによって、求めるη%が算出されます。

次の文章は、原子力発電の設備概要に関する記述である。

原子力発電で多く採用されている原子炉の型式は軽水炉であり、主に加圧水型と沸騰水型に分けられるが、いずれも冷却材と(　ア　)に軽水を使用している。

加圧水型は、原子炉内で加熱された冷却材の沸騰を(　イ　)により防ぐとともに、一次冷却材ポンプで原子炉、(　ウ　)に冷却材を循環させる。(　ウ　)で熱交換を行い、タービンに送る二次系の蒸気を発生させる。

沸騰水型は、原子炉内で冷却材を加熱し、発生した蒸気を直接タービンに送るため、系統が単純になる。

それぞれに特有な設備には、加圧水型では(　イ　)、(　ウ　)、一次冷却材ポンプがあり、沸騰水型では(　エ　)がある。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

　　　　(ア)　　　　(イ)　　　　　　(ウ)　　　　　(エ)

1. 減速材　　　加圧器　　　　蒸気発生器　　再循環ポンプ
2. 減速材　　　蒸気発生器　　加圧器　　　　再循環ポンプ
3. 減速材　　　加圧器　　　　蒸気発生器　　給水ポンプ
4. 遮へい材　　蒸気発生器　　加圧器　　　　再循環ポンプ
5. 遮へい材　　蒸気発生器　　加圧器　　　　給水ポンプ

　解 説　　　　

(　ア　)について、日本で稼働している原子炉の型式は、ほとんどが加圧水型か沸騰水型です。これらはいずれも、減速材と冷却材に軽水を用いています。よって、(　ア　)には「減速材」が入ります。ちなみに、遮へい材は放射線を通さないような材質でなくてはならないので、鉛やコンクリートが用いられます。

(　イ　)と(　ウ　)について、加圧水型の構造は以下の図のようになっています。

上図のように、加圧水型原子力発電所は循環系が2つあります。図の左半分では、最も左側に描かれている原子炉で熱を発生させ、図中央で熱交換をおこない、再び原子炉へと水が戻ります。図の右半分は、まず図中央で水が熱を受け取って蒸気に変わります。そして蒸気がタービンで仕事をして、その後復水器で水となって循環します。

よって、上図から、(　イ　)には「加圧器」が、(　ウ　)には「蒸気発生器」が入ります。

一方、沸騰水型は下図のように加圧水型と比べて単純な構造をしています。

沸騰水型の場合、その仕組みは火力発電とあまり変わりません。核分裂により熱エネルギーを得て、水を蒸気に変え、蒸気の熱と圧力でタービンを回して発電します。そして、タービンは仕事をしたあとの蒸気は復水器で水となり、再び原子炉へと戻ります。

(　エ　)には「再循環ポンプ」か「給水ポンプ」が入りますが、復水器から原子炉側へと水を戻すためのポンプが給水ポンプなので、これは加圧水型にも沸騰水型にも必要です。

一方、再循環ポンプは沸騰水型の模式図に記載している通り、原子炉容器内での水の循環を生み出すためのものです。これは沸騰水型にしか存在しないので、(　エ　)には「再循環ポンプ」が入ります。

分散型電源の配電系統連系に関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 分散型電源からの逆潮流による系統電圧の上昇を抑制するために、受電点の力率は系統側から見て進み力率とする。
2. 分散型電源からの逆潮流等により他の低圧需要家の電圧が適正値を維持できない場合は、ステップ式自動電圧調整器(SVR)を設置する等の対策が必要になることがある。
3. 比較的大容量の分散型電源を連系する場合は、専用線による連系や負荷分割等配電系統側の増強が必要になることがある。
4. 太陽光発電や燃料電池発電等の電源は、電力変換装置を用いて電力系統に連系されるため、高調波電流の流出を抑制するフィルタ等の設置が必要になることがある。
5. 大規模太陽光発電等の分散型電源が連系した場合、配電用変電所に設置されている変圧器に逆向きの潮流が増加し、配電線の電圧が上昇する場合がある。

　解 説　　　　

本来であれば、電力は配電用変電所から配電線を通って需要家のところへ届けられます。しかし、需要家が太陽光発電や燃料電池発電などの自家発電を行っていて、発電が電力消費を上回った場合、本来とは反対向き(つまり、需要家→配電線)に電力が流れます。このような現象を「逆潮流」と呼んでいます。

また、需要家が持っている太陽光発電や燃料電池発電などの設備のことを「分散型電源」といいます。

以上が(5)に書いてある内容であり、これにより(2)にあるような不都合が生じる場合があるため、同じく(2)にあるような対策がとられます。

ここで、(1)にある「分散型電源からの逆潮流による系統電圧の上昇」は、力率が進みになってしまっているために起こる現象です。そのため、これを抑制したければ、遅れ力率にする必要があります。よって、(1)の「進み力率」が誤りで、正しくは「遅れ力率」となります。

以上から、正解は(1)です。

保護リレーに関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 保護リレーは電力系統に事故が発生したとき、事故を検出し、事故の位置や種類を識別して、事故箇所を系統から直ちに切り離す指令を出して遮断器を動作させる制御装置である。
2. 高圧配電線路に短絡事故が発生した場合、配電用変電所に設けた過電流リレーで事故を検出し、遮断器に切り離し指令を出し事故電流を遮断する。
3. 変圧器の保護に最も一般的に適用される電気式リレーは、変圧器の一次側と二次側の電流の差から異常を検出する差動リレーである。
4. 後備保護は、主保護不動作や遮断器不良など、何らかの原因で事故が継続する場合に備え、最終的に事故除去する補完保護である。
5. 高圧需要家に構内事故が発生した場合、同需要家の保護リレーよりも先に配電用変電所の保護リレーが動作して遮断器に切り離し指令を出すことで、確実に事故を除去する。

　解 説　　　　

ある点で異常が発生した場合、そこから最も近い箇所を遮断して、ほかの系統と切り離すことが被害拡大を防ぐ有効な手段となります。

(5)のように需要家の構内で発生した事故に対して、より近い需要家の保護リレーではなく、遠いほうの配電用変電所の保護リレーを動作させた場合、同一系統内のほかの需要家にまで停電などの悪影響が及びます。

よって、(5)が不適切な文章であり、事故のあった需要家の保護リレーを先に動作させ、最小限の範囲を切り離すべきです。

次の文章は、避雷器とその役割に関する記述である。

避雷器とは、大地に電流を流すことで雷又は回路の開閉などに起因する(　ア　)を抑制して、電気施設の絶縁を保護し、かつ、(　イ　)を短時間のうちに遮断して、系統の正常な状態を乱すことなく、原状に復帰する機能をもつ装置である。

避雷器には、炭化けい素(SiC)素子や酸化亜鉛(ZnO)素子などが用いられるが、性能面で勝る酸化亜鉛素子を用いた酸化亜鉛形避雷器が、現在、電力設備や電気設備で広く用いられている。なお、発変電所用避雷器では、酸化亜鉛形(　ウ　)避雷器が主に使用されているが、配電用避雷器では、酸化亜鉛形(　エ　)避雷器が多く使用されている。

電力系統には、変圧器をはじめ多くの機器が接続されている。これらの機器を異常時に保護するための絶縁強度の設計は、最も経済的かつ合理的に行うとともに、系統全体の信頼度を向上できるよう考慮する必要がある。これを(　オ　)という。このため、異常時に発生する(　ア　)を避雷器によって確実にある値以下に抑制し、機器の保護を行っている。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

　　　(ア)　　(イ)　　　(ウ)　　　　　　　　(エ)　　　　　(オ)

1. 過電圧　続流　ギャップレス　　　直列ギャップ付き　絶縁協調
2. 過電流　電圧　直列ギャップ付き　ギャップレス　　　電流協調
3. 過電圧　電圧　直列ギャップ付き　ギャップレス　　　保護協調
4. 過電流　続流　ギャップレス　　　直列ギャップ付き　絶縁協調
5. 過電圧　続流　ギャップレス　　　直列ギャップ付き　保護協調

　解 説　　　　

(　ア　)には「過電圧」か「過電流」が入りますが、「電流を流すことで電流を抑制する」としてしまうと文章がおかしいので、ここには「過電圧」が入ります。

また、(　イ　)の直後には「遮断」とありますが、電流は遮断できても、電圧を遮断するという言い方はしません。よって、ここには「続流」が入ります。

先ほど過電圧を抑えるために流した最初の電流に対して、もう電圧が下がったのにそれでも流れ続けてしまう電流を続流といいます。この電流(続流)は特に流す必要のないものなので、問題文にあるように遮断して、原状復帰をするのが望ましいです。

(　ウ　)と(　エ　)は一方が「ギャップレス」で他方が「直列ギャップ付き」となりますが、直列ギャップとは、続流を遮断するためのパーツのことで、これがあるかないかという話です。結論からいうと、発変電所用としてはギャップレスが多く使われ、配電用としては直列ギャップ付きが多く使われています。

よって、(　ウ　)には「ギャップレス」、(　エ　)には「直列ギャップ付き」が入ります。

(　オ　)はその前の文章がかなりのヒントになっていますが、「機器を保護するための絶縁強度の設計」なので、このような観点からの設計を「絶縁強調」といいます。

次の文章は、架空送電線の振動に関する記述である。

多導体の架空送電線において、風速が数～20m/sで発生し、10m/sを超えると振動が激しくなることを(　ア　)振動という。

また、架空電線が、電線と直角方向に穏やかで一様な空気の流れを受けると、電線の背後に空気の渦が生じ、電線が上下に振動を起こすことがある。この振動を防止するために(　イ　)を取り付けて振動エネルギーを吸収させることが効果的である。この振動によって電線が断線しないように(　ウ　)が用いられている。

その他、架空送電線の振動には、送電線に氷雪が付着した状態で強い風を受けたときに発生する(　エ　)や、送電線に付着した氷雪が落下したときにその反動で電線が跳ね上がる現象などがある。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

　　　　(ア)　　　　　(イ)　　　　　　　(ウ)　　　　　　(エ)

1. コロナ　　　スパイラルロッド　スペーサ　　　スリートジャンプ
2. サブスパン　ダンパ　　　　　　スペーサ　　　スリートジャンプ
3. コロナ　　　ダンパ　　　　　　アーマロッド　ギャロッピング
4. サブスパン　スパイラルロッド　スペーサ　　　スリートジャンプ
5. サブスパン　ダンパ　　　　　　アーマロッド　ギャロッピング

　解 説　　　　

(　ア　)には「サブスパン」が入ります。サブスパンとは、スペーサとスペーサで区切られた区間のことです。風などが原因となって生じる、このサブスパンの電線振動のことをサブスパン振動といいます。

この振動は振動回数が多いのと、比較的振幅が大きいという特徴があるため、電線の磨耗につながります。サブスパン振動を防ぐためには、スペーサの取り付け位置を工夫するのが効果的です。

(　イ　)と(　ウ　)の直前で説明しているような振動は、微風振動と呼ばれる現象です。微風振動によって電線が振動し続けると、電線が痛んで漏電や断線の恐れが生じます。そのため、これを防ぐ必要がありますが、対策としてはダンパやアーマロッドなどの防振装置をつけることが効果的です。

ダンパは振動の吸収材となり、アーマロッドは電線の補強の役割を果たします。よって、(　イ　)には「ダンパ」が、(　ウ　)には「アーマロッド」が入ります。

(　エ　)には「ギャロッピング」か「スリートジャンプ」が入りますが、(　エ　)に入るのが「ギャロッピング」で、その後ろの文章(氷雪が落下した反動で電線が跳ね上がる現象)が「スリートジャンプ」に対応します。

ギャロッピング(galloping)のギャロップ(gallop)とは、馬が疾走するときの走り方の名前です。馬が駆けるときのように、電線が上下に大きく振動することから、ギャロッピングと呼ばれています。

雪が付いた状態で重くなっているところを風にあおられて振動するのか、それとも、雪が落っこちてその反動で振動するのか、その違いを押さえておいてください。

架空送電線路のがいしの塩害現象及びその対策に関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. がいし表面に塩分等の導電性物質が付着した場合、漏れ電流の発生により、可聴雑音や電波障害が発生する場合がある。
2. 台風や季節風などにより、がいし表面に塩分が急速に付着することで、がいしの絶縁が低下して漏れ電流の増加やフラッシオーバが生じ、送電線故障を引き起こすことがある。
3. がいしの塩害対策として、がいしの洗浄、がいし表面へのはっ水性物質の塗布の採用や多導体方式の適用がある。
4. がいしの塩害対策として、雨洗効果の高い長幹がいし、表面漏れ距離の長い耐霧がいしや耐塩がいしが用いられる。
5. 架空送電線路の耐汚損設計において、がいしの連結個数を決定する場合には、送電線路が通過する地域の汚損区分と電圧階級を加味する必要がある。

　解 説　　　　

がいしの塩害対策には主に以下の4つがあります。

1. がいしの増結：がいしの連結個数を増やすと絶縁強度が上がります。これを過絶縁といいます。これは塩じん害の対策として用いられる最もポピュラーな方法です。
2. がいしの洗浄：がいしを洗浄して塩分を除去することで塩じん害を抑えます。
3. はっ水性コンパウンドの塗布：がいしの表面にはっ水性コンパウンド(シリコンコンパウンド)を塗布することで、塩じん害から保護します。
4. ルートの選定：そもそもの話になりますが、送電線を通すルートを塩じん害の少ない場所にする方法です。

よって、(3)に記載されているうち、「がいしの洗浄」と「がいし表面へのはっ水性物質の塗布の採用」は有効ですが、「多導体方式の適用」は特に塩害対策とはなりません。

多導体とは、1相に対して複数の電線を用いるということなので、多導体方式を適用するとインダクタンスが下がり、静電容量は上がります。よって、送電容量が上がって安定度が増すので、コロナが発生しにくくなります。

つまり、これは塩害対策ではなく、コロナの発生抑制のために用いられる手法です。

電圧66kV、周波数50Hz、こう長5kmの交流三相3線式地中電線路がある。ケーブルの心線1線当たりの静電容量が0.43μF/km、誘電正接が0.03%であるとき、このケーブル心線3線合計の誘電体損の値[W]として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 141
2. 294
3. 883
4. 1324
5. 2648

　解 説　　　　

誘電体損は、交流電圧の印加によりケーブルの絶縁体内で発生する損失です。

交流電界を誘電体に加えたとき、電気エネルギーの一部が熱エネルギーに変わるために生じる損失なので、そのエネルギーは、以下の図において、抵抗Rの両端の電圧差と、そこを流れる電流との積になります(ただし、この図は1相あたりの等価回路なので、3相合計の誘電体損を知るには最終的に3倍する必要があります)。

ちなみに、上図の電源電圧Eは、問題文の66kVを66000Vに直すとともに、三相のうち1相分だけ取り出しているので、√3で割っています。また、静電容量Cについては0.43μF/kmが5kmなので、μ(=10^-6)を考慮すると、C=0.43×10^-6×5となります。

そして、上図から、1相あたりの誘電体損P_lossは、次の式で表すことができます。

ここで、抵抗を流れる電流とコンデンサを流れる電流の位相差は90°であり、誘電正接は次の式の通りです。

また、I_Cは次の計算式で求めることができます。

よって、1相あたりの誘電体損P_lossを計算すると、以下のようになります。

求めるのは、ケーブル心線3線合計の誘電体損なので、これを3倍すると求める答えとなります。