次の文章は、タービン発電機の水素冷却方式の特徴に関する記述である。

水素ガスは、空気に比べ(　ア　)が大きいため冷却効率が高く、また、空気に比べ(　イ　)が小さいため風損が小さい。

水素ガスは、(　ウ　)であるため、絶縁物への劣化影響が少ない。水素ガス圧力を高めると大気圧の空気よりコロナ放電が生じ難くなる。

水素ガスと空気を混合した場合は、水素ガス濃度が一定範囲内になると爆発の危険性があるので、これを防ぐため自動的に水素ガス濃度を(　エ　)以上に維持している。

通常運転中は、発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れないように軸受の内側に(　オ　)によるシール機能を備えており、機内からの水素ガスの漏れを防いでいる。

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. 比熱　　比重　　活性　　　90%　　窒素ガス
2. 比熱　　比重　　活性　　　60%　　窒素ガス
3. 比熱　　比重　　不活性　　90%　　油膜
4. 比重　　比熱　　活性　　　60%　　油膜
5. 比重　　比熱　　不活性　　90%　　窒素ガス

　解 説　　　　

(　ア　)と(　イ　)の選択肢を見ると、一方に「比熱」が入り、他方に「比重」が入ることがわかります。

問題文の1文目に「水素冷却方式」とあるように、水素は冷却効率の高い気体です。もし水素の比熱が小さいとすると、少しの熱を吸収するだけで水素自身の温度が上がってしまい、冷却効果が持続しません。しかし実際には水素の比熱は大きいので、たくさんの熱量を受け取ることができます。よって、(　ア　)には「比熱」が入ります。

また、水素ガスはあらゆる気体の中で最も軽いので、もちろん空気よりも比重が小さいです。よって、(　イ　)には「比重」が入ります。

続いて(　ウ　)ですが、活性とは他の物質との間で化学反応を起こしやすい性質、不活性とは反対に反応性が低い性質を意味しています。水素は反応性が低いために、絶縁物と反応して劣化させてしまうリスクは低いです。よって、(　ウ　)には「不活性」が入ります。

(　エ　)について、水素の爆発限界濃度は4%～70%程度です。これよりも低くても高くても爆発することはありません。よって、選択肢にある「60%」と「90%」のうち、爆発を起こさないほうを選べばよいので、「90%」のほうが適切です。

(　オ　)には「窒素ガス」か「油膜」が入りますが、窒素ガスは気体なので、水素ガスと混じり合ってしまいます。これではガス漏れとしてのシール機能を果たさないばかりか、水素濃度が下がって爆発しやすい濃度になってしまうおそれがあります。

よって、(　オ　)は「油膜」を入れるのが適切です。水素は油膜に溶け込んだり化学反応を起こしたりしないので、油膜によってシールすることができます。

以上から、正解は(3)です。

次の文章は、水車の比速度に関する記述である。

比速度とは、任意の水車の形(幾何学的形状)と運転状態(水車内の流れの状態)とを(　ア　)変えたとき、(　イ　)で単位出力(1kW)を発生させる仮想水車の回転速度のことである。

水車では、ランナの形や特性を表すものとしてこの比速度が用いられ、水車の(　ウ　)ごとに適切な比速度の範囲が存在する。

水車の回転速度をn[min^-1]、有効落差をH[m]、ランナ1個当たり又はノズル1個当たりの出力をP[kW]とすれば、この水車の比速度n_sは、次の式で表される。

通常、ペルトン水車の比速度は、フランシス水車の比速度より(　エ　)。

比速度の大きな水車を大きな落差で使用し、吸出し管を用いると、放水速度が大きくなって、(　オ　)やすくなる。そのため、各水車には、その比速度に適した有効落差が決められている。

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. 一定に保って有効落差を　単位流量(1m³/s)　出力　大きい　高い効率を得
2. 一定に保って有効落差を　単位落差(1m)　　 種類　大きい　キャビテーションが生じ
3. 相似に保って大きさを　　単位流量(1m³/s)　出力　大きい　高い効率を得
4. 相似に保って大きさを　　単位落差(1m)　　 種類　小さい　キャビテーションが生じ
5. 相似に保って大きさを　　単位流量(1m³/s)　出力　小さい　高い効率を得

　解 説　　　　

水車の比速度とは、実物の水車を相似形で縮小した仮想水車に対し、1[m]の落差で1[kW]の出力を生じさせるときの回転速度[min^-1]のことです。要するに、水車には様々な大きさや形状のものがありますが、その能力を比較するために単位高さ・単位出力あたりの回転速度を求めることで、基準を揃えた能力を知ることができる、というわけです。

よって、(　ア　)には「相似に保って大きさを」が、(　イ　)には「単位落差(1m)」が入ります。

また、この問題では問題文で比速度の式が示されていますが、もし式を与えられていなくても、重要公式として使えるようにしておくべきです。

比速度は大きすぎず小さすぎず、適正な範囲で運用することが重要です。この「適正な範囲」というのは水車の種類によって異なります。適正な比速度が大きい順に並べると、以下のような大小関係が成り立ちます。

(比速度：大) プロペラ水車 ＞ 斜流水車 ＞ フランシス水車 ＞ペルトン水車 (比速度：小)

よって、(　ウ　)には「種類」が、(　エ　)には「小さい」が入ります。

(　オ　)を含む文章を見ると、比速度の大きな水車を大きな落差で使用し、放水速度が大きくなっているという状況です。

このような場合、水中の気泡が大きな圧力で押しつぶされ、ランナなどの設備に衝撃を与えて損壊させるおそれがあります。この現象をキャビテーションといい、これは水車を痛める原因となるので、比速度や有効落差を適正な値に設定することで、キャビテーションを起こさないようにすることが重要です。

よって、(　オ　)には「キャビテーションが生じ」が入ります。

以上から、

1. 相似に保って大きさを
2. 単位落差(1m)
3. 種類
4. 小さい
5. キャビテーションが生じ

となるので、正解は(4)です。

汽力発電所の蒸気タービン設備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. 衝動タービンは、蒸気が回転羽根(動翼)に衝突するときに生じる力によって回転させるタービンである。
2. 調速装置は、蒸気加減弁駆動装置に信号を送り、蒸気流量を調整することで、タービンの回転速度制御を行う装置である。
3. ターニング装置は、タービン停止中に高温のロータが曲がることを防止するため、ロータを低速で回転させる装置である。
4. 反動タービンは、固定羽根(静翼)で蒸気を膨張させ、回転羽根(動翼)に衝突する力と回転羽根(動翼)から排気するときの力を利用して回転させるタービンである。
5. 非常調速装置は、タービンの回転速度が運転中に定格回転速度以下となり、一定値以下まで下降すると作動して、タービンを停止させる装置である。

　解 説　　　　

(5)の「定格回転速度以下となり、一定値以下まで下降すると」という部分が誤りで、正しくは「定格回転速度以上となり、一定値以上まで上昇すると」となります。ちなみに、一定値というのは定格回転速度の110%の値です。

もし何かの異常によってタービンの回転速度がものすごく上がってしまうと、電気的または物理的な事故や災害につながるおそれがあります。そのようなことがないよう、異常に高い回転を検知したら一度タービンを停止させるほうが安全です。そのための装置が非常調速装置です。

もし(5)の記述のようにタービンの回転速度が運転中に定格回転速度以下となった場合、思ったような出力が得られないのでそれはそれで困ります。しかし、設備を損傷させたり人に危害を及ぼすような方向の不具合ではないため、これを防ぐために緊急停止装置を設けるといった措置は必要ありません。

次の文章は、我が国の原子力発電所の蒸気タービンの特徴に関する記述である。

原子力発電所の蒸気タービンは、高圧タービンと低圧タービンから構成され、くし形に配置されている。

原子力発電所においては、原子炉又は蒸気発生器によって発生した蒸気が高圧タービンに送られ、高圧タービンにて所定の仕事を行った排気は、(　ア　)分離器に送られて、排気に含まれる(　ア　)を除去した後に低圧タービンに送られる。

高圧タービンの入口蒸気は、(　イ　)であるため、火力発電所の高圧タービンの入口蒸気に比べて、圧力・温度ともに(　ウ　)、そのため、原子力発電所の熱効率は、火力発電所と比べて(　ウ　)なる。また、原子力発電所の高圧タービンに送られる蒸気量は、同じ出力に対する火力発電所と比べて(　エ　)。

低圧タービンの最終段翼は、35～54インチ(約89cm～137cm)の長大な翼を使用し、(　ア　)による翼の浸食を防ぐため翼先端周速度を減らさなければならないので、タービンの回転速度は(　オ　)としている。

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. 空気　過熱蒸気　高く　多い　　1500min^-1又は1800min^-1
2. 湿分　飽和蒸気　低く　多い　　1500min^-1又は1800min^-1
3. 空気　飽和蒸気　低く　多い　　750min^-1又は900min^-1
4. 湿分　飽和蒸気　高く　少ない　750min^-1又は900min^-1
5. 空気　過熱蒸気　高く　少ない　750min^-1又は900min^-1

　解 説　　　　

原子力発電所のタービンに関する問題ですが、文中でたびたび火力発電所のタービンと比較しているため、まずは原子力発電所と火力発電所の発電効率を念頭に入れて考えるとわかりやすいと思います。

原子力発電所の発電効率は約30%、火力発電所の発電効率は約40%です。よって、発電効率の面からいえば、火力発電所のほうが優れているといえます。これを踏まえて、問題文の穴埋めを考えていきます。

(　イ　)の説明をしてから(　ア　)を見たほうがわかりやすいと思うので、先に(　イ　)の解説をします。

(　イ　)は「過熱蒸気」または「飽和蒸気」となりますが、飽和蒸気というのは沸点に達した水が水蒸気になったものです。過熱蒸気とは、飽和蒸気をさらに過剰に熱して高温にした蒸気のことです。

火力発電所では大きな熱量を持つ過熱蒸気を用いるために高効率を実現している一方、原子力発電所ではあまり温度の高くない飽和蒸気を使います。よって、(　イ　)には「飽和蒸気」が入ります。

ここで(　ア　)に戻りますが、飽和蒸気は沸点よりもいくらか温度が高いだけなので、高圧タービンで仕事をすると、温度が下がって一部の蒸気は水滴に変わってしまいます。この水滴が機器を腐食させては良くないので、湿分分離器を使って湿分を除去してから、低圧タービンへ蒸気を送る必要があります。

よって、(　ア　)には「湿分分離器」が入ります。

(　ウ　)について、原子力発電所では飽和蒸気を、火力発電所では過熱蒸気を用いていることから、原子力発電所での蒸気のほうが圧力・温度ともに「低く」なります。それに応じて、熱効率も「低く」なります。

(　エ　)で、原子力発電所のほうが発電効率が低い分、同じ出力を得ようとするとたくさんの蒸気が必要となります。よって、ここには「多い」が入ります。

(　オ　)では、蒸気タービンの回転速度には1500,1800,3000,3600[min^-1]の4パターンがあります。このうち大きいほう2つ(3000と3600)は火力発電所の蒸気タービンに使われ、小さいほう2つ(1500と1800)は原子力発電所の蒸気タービンに使われます。

つまり、(　オ　)には「1500min^-1又は1800min^-1」を入れるのが正しいですが、これはややマイナーな知識かもしれません。もし知らなくても、(　ア　)～(　エ　)を適切に選べれば正解の選択肢は一つに絞れるため、あまり気にしなくてもよいと思います。

以上から、正解は(2)です。

ロータ半径が30mの風車がある。風車が受ける風速が10m/sで、風車のパワー係数が50%のとき、風車のロータ軸出力[kW]に最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

ただし、空気の密度を1.2kg/m³とする。

ここでパワー係数とは、単位時間当たりにロータを通過する風のエネルギーのうちで、風車が風から取り出せるエネルギーの割合である。

1. 57
2. 85
3. 710
4. 850
5. 1700

　解 説　　　　

風のもつエネルギーは以下の式で表すことができます。この式はそのまま公式として押さえておきたい内容ですが、運動エネルギーと一緒なので覚えやすいと思います。

• P：風のもつ運動エネルギー[J/s]
• m：風の質量(1秒間に風車を通過する空気の量)[kg/s]
• v：風速[m/s]

ここで、本来ならエネルギーの単位は[J]ですが、風というのは実体がない(質量がない)ものなので、ここでは「1秒あたり」として考えます。「1秒あたり」と時間を限定すれば、1秒の間に風車を通過する空気の量であれば決めることができるので、これが上式のmになります。

上式のうち風速vは問題文で与えられていますが、1秒間に風車を通過する空気の量mは計算で求める必要があります。

風車が風を受ける面積は半径30mの円で、1秒間の間に風は10m進むので、風の体積は半径30mで高さ10mの円柱となります。さらに、空気の密度が問題文より1.2kg/m³なので、その質量は次のように計算できます。

よって、風のもつ運動エネルギーPは以下のようになります。

最後に、風車のパワー係数が50%なので、上記の計算結果に×50/100をしたものが出力P’となります。

よって、正解は(4)です。

次の文章は、保護リレーに関する記述である。

電力系統において、短絡事故や地絡事故が発生した場合、事故区間は速やかに系統から切り離される。このとき、保護リレーで異常を検出し、(　ア　)を動作させる。

架空送電線は特に距離が長く、事故発生件数も多い。架空送電線の事故の多くは(　イ　)による気中フラッシオーバに起因するため、事故区間を高速に遮断し、フラッシオーバを消滅させれば、絶縁は回復し、架空送電線は通電可能な状態となる。

このため、事故区間の遮断の後、一定時間(長くて1分程度)を経て、(　ウ　)が行われる。一般に、主保護の異常に備え、(　エ　)保護が用意されており、動作の確実性を期している。

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. 遮断器　　落雷　　保守　　　常備
2. 断路器　　落雪　　再閉路　　常備
3. 変圧器　　落雷　　点検　　　後備
4. 断路器　　落雪　　点検　　　後備
5. 遮断器　　落雷　　再閉路　　後備

　解 説　　　　

(　ア　)には「遮断器」が入ります。遮断器は、送電線などに何かしらのトラブルが生じた際、その事故点の周囲の電流を遮断することで、正常な部分に悪影響を及ぼすのを防ぐ役割を果たします。

一方、断路器は、遮断器の端に設置されていて、作業時など回路に電流の流れていない状態の回路の開閉に用いられる装置です。

ある点を周囲の回路から切り離すというのは遮断器も断路器も一緒ですが、遮断器はトラブル時の緊急対応、断路器は保守点検をおこなう際の安全対策といった違いがあります。

(　イ　)を含む文章はフラッシオーバの話です。これは、雷や機器の故障によって異常電圧が生じるために絶縁破壊が起こり、がいし装置などから火花を発したり放電したりする現象です。よって、(　イ　)には「落雷」を入れるのが適切です。

(　ウ　)は話の流れを考えると、事故が起きても遮断をうまくできれば自動復旧させることができる…というような文章になるはずです。よって、これは保守でも点検でもなく、「再閉路」が正しいと判断できます。

(　エ　)の直前に「主保護」という言葉がありますが、これと対になる言葉は「後備保護」です。主保護というのは、メインとなる保護システムのことを指しますが、もしそのシステムが異常によってうまく働かない場合には、さらに別の保護システムが動作するようになっています。

つまり、保護システムにバックアップがあるということなのですが、このバックアップのことを後備保護といいます。よって、(　エ　)には「後備」が入ります。

以上から、正解は(5)です。

変圧器の保全・診断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. 変圧器の予防保全は、運転の維持と事故の防止を目的としている。
2. 油入変圧器の絶縁油の油中ガス分析は内部異常診断に用いられる。
3. 部分放電は、絶縁破壊が生じる前ぶれである場合が多いため、異常診断技術として、部分放電測定が用いられることがある。
4. 変圧器巻線の絶縁抵抗測定と誘電正接測定は、鉄心材料の経年劣化を把握することを主な目的として実施される。
5. ガスケットの経年劣化に伴う漏油の検出には、目視点検に加え、油面計が活用される。

　解 説　　　　

(4)の前半部分に書かれている「変圧器巻線の絶縁抵抗測定と誘電正接測定」という部分について、絶縁抵抗測定では電気が漏れないような性能が確保できているかを確認し、誘電正接測定ではエネルギーの損失が生じていないかどうかを確認します。

一方、後半部分では「鉄心材料の経年劣化」とあります。鉄は電気を通す性質を持つので、絶縁測定をする意義がありません。また、鉄はそんなに経年劣化するものでもありません。

以上のことから考えると、(4)の「鉄心材料」のところは「絶縁材料」のように書き換えるのが正しいといえます。

変圧器巻線の絶縁材料は経年劣化が起こりうる素材であり、かつ、絶縁抵抗測定や誘電正接測定を行うことでその性能を調べることができます。

図のように、単相の変圧器3台を一次側、二次側ともにΔ結線し、三相対称電源とみなせる配電系統に接続した。変圧器の一次側の定格電圧は6600V、二次側の定格電圧は210Vである。二次側に三相平衡負荷を接続したときに、一次側の線電流20A、二次側の線間電圧200Vであった。

負荷に供給されている電力[kW]として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

ただし、負荷の力率は0.8とする。なお、変圧器は理想変圧器とみなすことができ、線路のインピーダンスは無視することができる。

1. 58
2. 101
3. 174
4. 218
5. 302

　解 説　　　　

問われているのは負荷に供給されている電力ですが、この問題では理想変圧器という条件であるため、電力は一次側で考えても二次側で考えても問題ありません。

三相3線式の負荷電力Pは次の式で表すことができます。これは最重要公式として必ず押さえておきたい式です。

ここで、問題文を読むと、一次側の電流が20[A]で、二次側の電圧が200[V]であるとわかります。変圧比も6600[V]/210[V]とわかっているので、一次側の電圧Vは以下のように計算することができます。

よって、一次側の電流と電圧の両方がわかり、力率も問題文で与えられているため、上記の負荷電力を求める式に代入すれば、答えを求められます。

次の文章は、架空送電線の多導体方式に関する記述である。

送電線において、1相に複数の電線を(　ア　)を用いて適度な間隔に配置したものを多導体と呼び、主に超高圧以上の送電線に用いられる。多導体を用いることで、電線表面の電位の傾きが(　イ　)なるので、コロナ開始電圧が(　ウ　)なり、送電線のコロナ損失、雑音障害を抑制することができる。

多導体は合計断面積が等しい単導体と比較すると、表皮効果が(　エ　)。また、送電線の(　オ　)が減少するため、送電容量が増加し系統安定度の向上につながる。

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. スペーサ　　　　大きく　低く　大きい　インダクタンス
2. スペーサ　　　　小さく　高く　小さい　静電容量
3. シールドリング　大きく　高く　大きい　インダクタンス
4. スペーサ　　　　小さく　高く　小さい　インダクタンス
5. シールドリング　小さく　低く　大きい　静電容量

　解 説　　　　

「複数の電線を(　ア　)を用いて適度な間隔に配置」という文章から、ここには距離を取るための装置が入ることがわかります。よって、(　ア　)には「スペーサ」が入ります。

スペーサとは、多導体方式において、負荷電流による電磁吸引力や強風などによる電線相互の接近・衝突を防止するために用いられる装置です。

(　イ　)と(　ウ　)について、この文章ではコロナ放電の発生を抑制について書かれています。電線表面の電位差が大きくなると放電しやすくなり、また、コロナ開始電圧が低いと簡単にコロナ放電が起こる条件を満たしてしまいます。

このようなことを防ぐために多導体方式を用いているので、(　イ　)には「小さく」を、(　ウ　)には「高く」を入れるのが適切であるとわかります。

(　エ　)のところで、表皮効果とは、電流密度が導体の表面で高くなり、表面から離れるにつれ低くなっていく現象です。1本の太い導体だと表皮効果が顕著に現れ、導体の抵抗が高くなってしまいます。しかし、多導体であれば電流をうまく分散させることができるので、表皮効果を抑え、抵抗をあまり上げずに済みます。

よって、(　エ　)には「小さい」が入ります。

最後の(　オ　)ですが、多導体方式を用いることでインダクタンスが下がり、静電容量は上がります。これによって、送電容量が上がり、安定度も増します。(　オ　)の直後に「減少」とあるので、ここには「インダクタンス」を入れるのが正しいです。

以上から、正解は(4)となります。

送配電系統における過電圧の特徴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. 鉄塔又は架空地線が直撃雷を受けたとき、鉄塔の電位が上昇し、逆フラッシオーバが起きることがある。
2. 直撃でなくても電線路の近くに落雷すれば、電磁誘導や静電誘導で雷サージが発生することがある。これを誘導雷と呼ぶ。
3. フェランチ効果によって生じる過電圧は、受電端が開放又は軽負荷のとき、進み電流が線路に流れることによって起こる。この現象は、送電線のこう長が長いほど著しくなる。
4. 開閉過電圧は、遮断器や断路器などの開閉操作によって生じる過電圧である。
5. 送電線の1線地絡時、健全相に現れる過電圧の大きさは、地絡場所や系統の中性点接地方式に依存する。直接接地方式の場合、非接地方式と比較すると健全相の電圧上昇倍率が低く、地絡電流を小さくすることができる。

　解 説　　　　

結論から書くと、(5)の「地絡電流を小さくすることができる」という部分が誤りで、実際には地絡電流はかなり高くなります。以下、そのことについて詳しく解説します。

直接接地方式を模式図で表すと、次のように描くことができます。

この条件で地絡事故が起こると、地絡電流Iが上図の赤点線で示したような経路を流れます。この際、抵抗がないため(厳密には線路抵抗がありますが、とても小さい値です)、I=E/R[A]のRがほぼ0であり、地絡電流Iはかなり大きくなります。

ちなみに、地絡電流が大きいということは付近で通信障害(電磁誘導障害)が起こるなどのデメリットがある一方、地絡電流が大きいとそれだけ保護継電器による事故の検出は早く、回線の選択遮断が確実にできるというメリットもあります。

また、中性点の電圧は0なので、健全相の電圧は事故の影響をほとんど受けません。

一方、非接地方式を模式図で表すと、次のように描くことができます。

上図上側のように地絡事故が起こった場合、その等価回路は上図左下側のように描くことができ、さらには上図右下側のようにまとめることができます。

この等価回路にオームの法則を適用すると、地絡電流Iは以下の式で表すことができます。

• I：地絡電流 [A]
• ω：角周波数 [rad/s]
• C：対地静電容量 [F]
• E：地絡箇所における地絡前時点での対地電圧 [V]
• V：線間電圧 [V]

ここで、C[F]は電線1相あたりの対地静電容量ですが、この値は普通小さいです。よって、非接地方式は地絡電流が小さいということになります。このため、電磁誘導障害の面では心配ありませんが、保護継電器での検出は難しく、回線の選択遮断には向きません。

また、地絡した相の対地電圧が0になるので、健全相の対地電圧が線間電圧の大きさ(正常時の√3倍)まで上がります。

以上から、解説の冒頭で書いた通り、(5)の「地絡電流を小さくすることができる」が誤りで、地絡電流は大きくなるので、正解は(5)となります。