次の文章は、水力発電所の種類に関する記述である。

水力発電所は(　ア　)を得る方法により分類すると、水路式、ダム式、ダム水路式があり、(　イ　)の利用方法により分類すると、流込み式、調整池式、貯水池式、揚水式がある。

一般的に、水路式はダム式、ダム水路式に比べ(　ウ　)。貯水ができないので発生電力の調整には適さない。ダム式発電では、ダムに水を蓄えることで(　イ　)の調整ができるので、電力需要が大きいときにあわせて運転することができる。

河川の自然の流れをそのまま利用して発電する方式を(　エ　)発電という。貯水池などを持たない水路式発電所がこれに相当する。

1日又は数日程度の河川流量を調整できる大きさを持つ池を持ち、電力需要が小さいときにその池に蓄え、電力需要が大きいときに放流して発電する方式を(　オ　)発電という。自然の湖や人工の湖などを用いてもっと長期間の需要変動に応じて河川流量を調整・使用する方式を貯水池式発電という。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(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. 落差　流速　建設期間が長い　　調整池式　ダム式
2. 流速　落差　建設期間が短い　　調整池式　ダム式
3. 落差　流量　高落差を得にくい　流込み式　揚水式
4. 流量　落差　建設費が高い　　　流込み式　調整池式
5. 落差　流量　建設費が安い　　　流込み式　調整池式

　解 説　　　　

水力発電は、高い位置にある水を低い位置にある水車のところまで落とし、その水車の回転によって発電機が発電します。つまり、もともとの位置エネルギーは運動エネルギー(または圧力エネルギー)を経て電気エネルギーに変わります。

よって、位置エネルギーがないと始まらないのですが、この位置エネルギーはmghで表されるので、質量m(水力発電においては流量)と高さh(水力発電においては落差)の2つの変数が重要な要素となります。

このうち、落差を得る方法によって分類したものが、水路式、ダム式、ダム水路式なので、(　ア　)には「落差」が入ります。

水路式はダムがなく、河川から直接水を引くタイプです。この場合、河川の上流から下流へと流れる道が、そのまま水路となります。また、ダム式はダムを作って水をせき止めるタイプです。ダム水路式は、ダムによる圧力と、河川の上流下流の落差の両方を利用したタイプです。

一方、流量の利用方法により分類すると、流込み式、調整池式、貯水池式、揚水式に分けられます。よって、(　イ　)には「流量」が入ります。

流込み式は、河川の自然の流れをそのまま利用するため、貯水しない(＝流量を調整しない)方式です。

調整池式と貯水池式はどちらも流量調整を行いますが、調整池式は比較的少量の水を溜めて1日または数日単位の調整運用をするのに対し、貯水池式は大量の水を溜めて季節的に変動する河川流量の調整を行います。

また、揚水式では上下2つの池があり、昼間太陽光発電などで電力が余ったときに、下の池から上の池に揚水しておき、夜間など電力不足のときに上の池の水を落として発電するという方式です。

この時点で(　ア　)は「落差」、(　イ　)は「流量」なので、選択肢は(3)と(5)に絞られます。

(　ウ　)について、水路式はダムを作らないので、メリットとしては建設期間が短く、建設費が安いことが挙げられます。また、デメリットとしては高落差を得にくいことです。よって、選択肢(3)の「高落差を得にくい」と(5)の「建設費が安い」はどちらも正しいといえます。

(　エ　)については上記で解説済みですが、川の自然の流れをそのまま利用するのは「流込み式」です。よって、(　エ　)には「流込み式」が入ります。

(　オ　)もすでに解説済みですが、(　オ　)を含む文章に「1日又は数日程度の河川流量を調整」とあるので、これは「調整池式」のことであると判断できます。

以上から、正解は(5)となります。

図で、水圧管内を水が充満して流れている。断面Aでは、内径2.2m、流速3m/s、圧力24kPaである。このとき、断面Aとの落差が30m、内径2mの断面Bにおける流速[m/s]と水圧[kPa]の最も近い値の組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

ただし、重力加速度は9.8m/s²、水の密度は1000kg/m³、円周率は3.14とする。

• 流速[m/s]　水圧[kPa]

1. 　3.0　　　　318
2. 　3.0　　　　316
3. 　3.6　　　　316
4. 　3.6　　　　310
5. 　4.0　　　　300

　解 説　　　　

流水の流速や水圧が問われているので、水力学にとって重要な公式である「ベルヌーイの定理」と「連続の式」を使います。これらはどちらも重要なので、ぜひ押さえておくべき知識です。

【ベルヌーイの定理】

• h：基準からの高さ [m]
• v：流速 [m/s]
• p：圧力 [N/m²]＝[Pa]
• ρ：水の密度＝1000 [kg/m³]
• g：重力加速度＝9.8 [m/s²]
• const.：constantの略で「一定」という意味

これを文章で表現すると、水が管の中を流れているとき、そのうちどの点においても「位置エネルギー」と「運動エネルギー」と「圧力エネルギー」の和は一定となります。要するに、流水のエネルギー保存の法則を表しています。

【連続の式】

• A：断面積[m²]
• v：流速[m/s]

上記において、断面積と流速を掛けるとその単位は[m³/s]となり、その地点での流量が求められます。水管中をスムーズに水が流れている場合、水管中のどの断面をとってもそこを通る水の量は一定、という意味の式となります。これは、流水の質量保存の法則を表しています。

以上を踏まえて設問を解いていきます。

まず、断面Aでの内径と流速がわかっていて、断面Bでの断面もわかっているため、断面Bでの流速v_Bは(2)式を使って次のように計算できます。

よって、1つ目の答えは「3.6」となります。

次に、断面Bでの水圧p_Bを求めたいので、(1)式を以下のように書き換え、各種の値を代入して計算していきます。

(4)式において、h_Aとh_Bは具体的に与えられていませんが、落差は30[m]なので、h_A－h_B＝30[m]であることがわかります。問題文で与えられた数値や(3)式の結果を使うと、(4)式は次のように計算できます。

よって、2つ目の答えは「316」となります。

以上から、正解は(3)です。

汽力発電におけるボイラ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. ボイラを水の循環方式によって分けると、自然循環ボイラ、強制循環ボイラ、貫流ボイラがある。
2. 蒸気ドラム内には汽水分離器が設置されており、蒸発管から送られてくる飽和蒸気と水を分離する。
3. 空気予熱器は、煙道ガスの余熱を燃焼用空気に回収することによって、ボイラ効率を高めるための熱交換器である。
4. 節炭器は、煙道ガスの余熱を利用してボイラ給水を加熱することによって、ボイラ効率を高めるためのものである。
5. 再熱器は、高圧タービンで仕事をした蒸気をボイラに戻して再加熱し、再び高圧タービンで仕事をさせるためのもので、熱効率の向上とタービン翼の腐食防止のために用いられている。

　解 説　　　　

(5)に関して、再熱器は、高圧タービンで仕事をした蒸気を再加熱し、その後、中・低圧タービンで仕事をさせるためのものです。これにより、熱効率の向上とタービン翼の腐食防止につながります。

よって、(5)の記述のように再加熱後に再び高圧タービンに戻すわけではないので、この記述が誤りで、正解は(5)となります。

また、ほかの選択肢はいずれも正しい文章ですが、どれも重要事項として押さえておきたい知識なので、併せて確認しておいてください。

次の文章は、電気集じん装置に関する記述である。

火力発電所で発生する灰じんなどの微粒子は、電気集じん装置により除去される。典型的な電気集じん装置は、集じん電極である(　ア　)の間に放電電極である(　イ　)を置いた構造である。

電極間の(　ウ　)によって発生した(　エ　)放電により生じたイオンで微粒子を帯電させ、クーロン力によって集じん電極で捕集する。集じん電極に付着した微粒子は一般的に、集じん電極(　オ　)取り除く。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(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. 線電極　　平板電極　高電圧　コロナ　に風を吹きつけて
2. 線電極　　平板電極　大電流　アーク　を槌でたたいて
3. 平板電極　線電極　　大電流　アーク　に風を吹きつけて
4. 平板電極　線電極　　高電圧　コロナ　を槌でたたいて
5. 平板電極　線電極　　大電流　コロナ　を槌でたたいて

　解 説　　　　

電気集じん装置は、電極に高電圧をかけ、コロナ放電で放電電極から放出される負イオンによってガス中の粒子を帯電させ、分離・除去するという仕組みの装置です。

(　ア　)について、電気集じん装置は2枚(1対)の平板電極に微粒子を付着させるので、集じん電極は「平板電極」とするのが適切です。集じん電極は名前の通り集じんを目的とするので、線電極では細すぎて捕集効率が悪くなるため、現実的ではありません。

(　イ　)について、放電電極は放電を発生させるための電極です。そのため、集じん電極のように場所を広く取るような必要もないため、「線電極」を用います。

(　ウ　)と(　エ　)で、高電圧による放電はコロナ放電、大電流による放電はアーク放電です。解説の冒頭でも示したように、電気集じん装置はコロナ放電を利用した集じんシステムなので、(　ウ　)には「高電圧」が、(　エ　)には「コロナ」が入ります。

(　オ　)で、集じん電極に付着した微粒子が増えすぎると集じん性能が下がってしまうので、定期的に微粒子を取り除く必要があります。風を吹きつけるくらいでは除去できないので、集じん電極を槌でたたいて、物理的な強い振動を与えて除去します。よって、(　オ　)は「を槌でたたいて」です。

以上から、正解は(4)となります。

原子力発電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. 原子力発電は、原子燃料の核分裂により発生する熱エネルギーで水を蒸気に変え、その蒸気で蒸気タービンを回し、タービンに連結された発電機で発電する。
2. 軽水炉は、減速材に黒鉛、冷却材に軽水を使用する原子炉であり、原子炉圧力容器の中で直接蒸気を発生させる沸騰水型と、別置の蒸気発生器で蒸気を発生させる加圧水型がある。
3. 軽水炉は、天然ウラン中のウラン235の濃度を3～5%程度に濃縮した低濃縮ウランを原子燃料として用いる。
4. 核分裂反応を起こさせるために熱中性子を用いる原子炉を熱中性子炉といい、軽水炉は熱中性子炉である。
5. 沸騰水型原子炉の出力調整は、再循環ポンプによる冷却材再循環流量の調節と制御棒の挿入及び引き抜き操作により行われ、加圧水型原子炉の出力調整は、一次冷却材中のほう素濃度の調節と制御棒の挿入及び引き抜き操作により行われる。

　解 説　　　　

(2)に関して、軽水炉では、低濃縮ウランを燃料とし、軽水を減速材・冷却材として用います。軽水は減速材と冷却材の役割を兼ねているため、(2)の「減速材に黒鉛」という部分が誤っています。

なお、軽水炉はさらに2種類に細分でき、原子炉圧力容器の中で直接蒸気を発生させるのが沸騰水型、別置の蒸気発生器で蒸気を発生させるのが加圧水型なので、この部分は正しいです。

ちなみに、減速材に黒鉛を用いるのは、ガス冷却型原子力発電所です。これは軽水炉ではなく、核燃料には天然ウラン、減速材には黒鉛、冷却材には炭酸ガスを用います。

以上から、正解は(2)です。

分散型電源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. 太陽電池で発生した直流の電力を交流系統に接続する場合は、インバータにより直流を交流に変換する。連系保護装置を用いると、系統の停電時などに電力の供給を止めることができる。
2. 分散型電源からの逆潮流による系統電圧上昇を抑制する手段として、分散型電源の出力抑制や、電圧調整器を用いた電圧の制御などが行われる。
3. 小水力発電では、河川や用水路などでの流込み式発電が用いられる場合が多い。
4. 洋上の風力発電所と陸上の系統の接続では、海底ケーブルによる直流送電が用いられることがある。ケーブルでの直流送電のメリットとして、誘電損を考慮しなくてよいことなどが挙げられる。
5. 一般的な燃料電池発電は、水素と酸素との吸熱反応を利用して電気エネルギーを作る発電方式であり、負荷変動に対する応答が早い。

　解 説　　　　

(5)に関して、水素と酸素との反応で吸熱してしまうなら、エネルギーが奪われているので電気エネルギーを作るどころではありません。

しかし、実際には水素と酸素との反応は「吸熱反応」ではなく「発熱反応」なので、熱エネルギーを取り出して電気エネルギーを作ることができます。

燃料電池の化学反応式は、以下の通りです。

これは水の電気分解の逆反応になっています。水を電気分解するためには結構なエネルギーを外から加えなければいけませんが、裏を返せば、水素と酸素を反応させて水にすれば、結構なエネルギーが取り出せるということになります。

また、(5)の文中にある「負荷変動に対する応答が早い」という特徴は正しいです。水素自動車はこの燃料電池の実例であり、自動車はまさに負荷変動が激しいですが、問題なく運転できるほどの応答の早さをもちます。

以上から、(5)の「吸熱反応」が誤りで、正しくは「発熱反応」となります。

次の文章は、変電所の計器用変成器に関する記述である。

計器用変成器は、(　ア　)と変流器とに分けられ、高電圧あるいは大電流の回路から計器や(　イ　)に必要な適切な電圧や電流を取り出すために設置される。

変流器の二次端子には、常に(　ウ　)インピーダンスの負荷を接続しておく必要がある。また、一次端子のある変流器は、その端子を被測定線路に(　エ　)に接続する。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(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. 主変圧器　　　　避雷器　　　　高　　縦続
2. CT　　　　　　  保護継電器　　低　　直列
3. 計器用変圧器　　遮断器　　　　中　　並列
4. CT　　　　　　  遮断器　　　　高　　縦続
5. 計器用変圧器　　保護継電器　　低　　直列

　解 説　　　　

(　ア　)で、計器用変成器には、計器用変圧器(VT：Voltage Transformer)と変流器(CT：Current Transformer)があります。

高電圧または大電流をそのまま測定するのは難しいので、計器用変成器を使うことで小さな値に変換することで、普通の電圧計または電流計で測定できるようにします。

よって、(　ア　)には「計器用変圧器」が入ります。

(　イ　)で、計器用変成器(VTやCT)で異常を感知した際には、遮断器で周囲との電気的なつながりを断ち、事故の影響を最小限に抑える必要があります。このようにVTやCTの異常を認識し、遮断器を作動させるための装置を保護継電器といいます。

よって、(　イ　)には「保護継電器」が入ります。

(　ウ　)に関して、変流器(CT)は、通電中に二次側が開放されると変流器に異常電圧が発生し、鉄損が過大となって絶縁が破壊される危険性があります。そこで、開放防止のために、変流器の二次端子には常に低インピーダンスの負荷を接続しておきます。

あくまで開放防止が目的であり、高電圧を掛けたいわけではない(むしろ掛けたくない)ので、インピーダンスは低いものを選びます。

また、少し脱線しますが、計器用変圧器(VT)の場合でも似たような措置が必要です。CT・VTの違いを以下にまとめますので、確認しておいてください。

• 変流器(CT)：二次側を開放すると計器に高電圧が掛かるため、開放防止を目的として二次端子に低インピーダンスの負荷を接続します。
• 計器用変圧器(VT)：二次側を短絡すると計器に大電流が流れるため、短絡防止を目的として二次端子に高インピーダンスの負荷を接続します。

よって、(　ウ　)には「低」が入ります。

(　エ　)で、変流器は電流を測定するためのものなので、被測定線路に対して直列接続とします。分岐するようなつなぎ方では、電流が分散されて正しい測定が行なえません。

よって、(　エ　)には「直列」が入ります。

以上から、

1. 計器用変圧器
2. 保護継電器
3. 低
4. 直列

となるので、正解は(5)です。

変電所の断路器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. 断路器は消弧装置をもたないため、負荷電流の遮断を行うことはできない。
2. 断路器は機器の点検や修理の際、回路を切り離すのに使用する。断路器で回路を開く前に、まず遮断器で故障電流や負荷電流を切る必要がある。
3. 断路器を誤って開くと、接触子間にアークが発生し、焼損や短絡事故を生じることがある。
4. 断路器の種類によっては、短い線路や母線の地絡電流の遮断が可能な場合がある。
5. 断路器の誤操作防止のため、一般にインタロック装置が設けられている。

　解 説　　　　

断路器は、遮断器の端に設置されている装置で、機器の点検や修理の際に回路を切り離すことを目的として、回路の開閉に用いられます。

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、用途が違います。遮断器はトラブル時に事故点を周囲の回路から切り離すために使われます。一方、断路器は保守点検を行う際に機器を周囲の回路から確実に切り離すために使われます。

つまり、断路器は遮断器ほど過酷な状況で使うものではないので、わずかな電流しか遮断できないように設計されています。そのため、遮断器が開いていないと(遮断器で故障電流や負荷電流を切っていないと)断路器が操作できないようになっています。

以上から、(4)の「短い線路や母線の地絡電流の遮断が可能な場合がある」というのは誤りで、地絡電流を遮断することはできません。

よって、正解は(4)です。

1台の定格容量が20MV・Aの三相変圧器を3台有する配電用変電所があり、その総負荷が55MWである。

変圧器1台が故障したときに、残りの変圧器の過負荷運転を行い、不足分を他の変電所に切り換えることにより、故障発生前と同じ電力を供給したい。

この場合、他の変電所に故障発生前の負荷の何%を直ちに切り換える必要があるか、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

ただし、残りの健全な変圧器は、変圧器故障時に定格容量の120%の過負荷運転をすることとし、力率は常に95%(遅れ)で変化しないものとする。

1. 6.2
2. 10.0
3. 12.1
4. 17.1
5. 24.2

　解 説　　　　

問題文より、この三相変圧器は1台の定格容量が20MV・Aで、力率が95%です。これを定格容量の120%の過負荷運転させたとき、2台分でまかなえる負荷は次のように計算することができます。

一方、故障発生前の総負荷は55[MW]だったので、不足している分は次の通りです。

この不足分を他の変電所から補う必要がありますが、これが故障発生前の負荷の何%に相当するかという設問なので、以下の計算によって答えを求めることができます。

以上から、正解は(4)となります。

次の文章は、がいしの塩害とその対策に関する記述である。

風雨などによってがいし表面に塩分が付着すると、(　ア　)が発生することがあり、可聴雑音や電波障害、フラッシオーバの原因となる。これをがいしの塩害という。

がいしの塩害対策は、塩害の少ない送電ルートの選定、がいしの絶縁強化、がいしの洗浄、がいし表面への(　イ　)性物質の塗布が挙げられる。

懸垂がいしにおいて、絶縁強化を図るには、がいしを(　ウ　)に連結する個数を増やす方法や、がいしの表面漏れ距離を(　エ　)する方法が用いられる。

また、懸垂がいしと異なり、棒状磁器の両端に連結用金具を取り付けた形状の(　オ　)がいしは、雨洗効果が高く、塩害に対し絶縁性が高い。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(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. 漏れ電流　　はっ水　　直列　　長く　　長幹
2. 過電圧　　　吸湿　　　直列　　短く　　ピン
3. 漏れ電流　　吸湿　　　並列　　短く　　長幹
4. 過電圧　　　はっ水　　並列　　長く　　長幹
5. 漏れ電流　　はっ水　　直列　　短く　　ピン

　解 説　　　　

(　ア　)で、塩分は導電性物質なので、がいし表面に塩分が付くと電流が流れやすくなります。よって、これによって生じ得るのは「漏れ電流」です。よって、(　ア　)は「漏れ電流」となります。

(　イ　)の選択肢には「はっ水」と「吸湿」がありますが、塩分を含んだ水は電気をよく通すので、がいし表面に吸湿性物質を塗布してしまうと、より漏れ電流が生じやすくなって不都合です。

一方、はっ水性物質を塗布すると、塩分を含んだ風雨が付着しにくくなったり、付着しても水分が定着しないため漏れ電流が生じにくくなったりするので、これは塩害対策として有効です。よって、(　イ　)は「はっ水」を選ぶのが正しいです。

(　ウ　)で、この直前に「絶縁強化を図る」とあるように、がいしを連結する目的は絶縁性能を強化することです。そのため、抵抗が大きくなるように接続する必要があるので、(　ウ　)には「直列」が入ります。

(　エ　)で、表面漏れ距離とは、がいしが絶縁できる距離のことです。表面漏れ距離が長ければ長いほど絶縁性能に優れているといえるので、(　エ　)には「長く」を入れるのが適切です。

(　オ　)で、この直後にある「雨洗効果が高く」というのは、長幹がいしの特徴です。長幹がいし・耐霧がいし・耐塩がいしなどが、塩害対策としてよく用いられます。よって、(　オ　)には「長幹」が入ります。

以上から、(　ア　)は「漏れ電流」、(　イ　)は「はっ水」、(　ウ　)は「直列」、(　エ　)は「長く」、(　オ　)は「長幹」となるので、正解は(1)です。