水力発電所の仕組み（衝動水車と反動水車）
第三種電気主任技術者（電験三種）試験に独学で合格できるよう、分野ごとに「考え方」や「解き方」の解説と過去問題をまとめています。このページで、電験三種の電力科目に出題される「水力発電所の仕組み」について、初心者の方でも解りやすく、基礎から勉強
水車におけるキャビテーションとは、流水に触れる機械部分の表面やその表面近くに( ア )が発生することである。キャビテーションが発生すると、水が蒸発し、空気が遊離してあわを生じる。このあわは流水とともに流れるが、圧力の( イ )ところに出会うと急激に( ウ )して大きな衝撃力を生じ、流水に接する金属面を壊食したり、振動や騒音を発生させ、また、( エ )を低下させる。キャビテーションの発生を防止するため、( オ )水車では吸出し高さを適切に選定する必要がある。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（オ）（１）空洞高い崩壊効率反動（２）きれつ低い結合回転速度衝動（３）空洞低い崩壊効率衝動（４）きれつ高い結合効率衝動（５）空洞低い結合回転速度反動 2001年（平成13年）問4 過去問解説水車におけるキャビテーションとは、流水に触れる機械部分の表面やその表面近くに( 空洞 )が発生することである。キャビテーションが発生すると、水が蒸発し、空気が遊離してあわを生じる。このあわは流水とともに流れるが、圧力の( 高い )ところに出会うと急激に( 崩壊 )して大きな衝撃力を生じ、流水に接する金属面を壊食したり、振動や騒音を発生させ、また、( 効率 )を低下させる。キャビテーションの発生を防止するため、( 反動 )水車では吸出し高さを適切に選定する必要がある。
2003年（平成15年）問1水力発電所において、運転中に水車に流入している水を水車入口弁によって急に遮断すると、水流のもつ( ア )エネルギーのために水圧管路内に高い圧力が発生する。この圧力は水圧管路上部の開放端と下部の閉鎖端との間で反復伝搬する。この現象を水撃作用という。この作用は流速変化が( イ )なほど、また、水圧管路が( ウ )ほど大きくなる。この作用を軽減するため、水圧管路に( エ )が一般に設けられている。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（１）運動急激長いサージタンク（２）位置急激短いヘッドタンク（３）運動緩やか短いヘッドタンク（４）位置緩やか長いサージタンク（５）運動急激短いヘッドタンク 2003年（平成15年）問1 過去問解説水力発電所において、運転中に水車に流入している水を水車入口弁によって急に遮断すると、水流のもつ( 運動 )エネルギーのために水圧管路内に高い圧力が発生する。この圧力は水圧管路上部の開放端と下部の閉鎖端との間で反復伝搬する。この現象を水撃作用という。この作用は流速変化が( 急激 )なほど、また、水圧管路が( 長い )ほど大きくなる。この作用を軽減するため、水圧管路に( サージタンク )が一般に設けられている。
2005年（平成17年）問1水力発電所において、事故等により負荷が急激に減少すると、水車の回転速度は（ ア ）し、それに伴って発電機の周波数も変化する。周波数を規定値に保つため、（ イ ）が回転速度の変化を検出して、（ ウ ）水車ではニードル弁、（ エ ）水車ではガイドベーンの開度を加減させて水車の（ オ ）水量を調整し、回転速度を規定値に保つ。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（オ）（１）上昇調速機ペルトンフランシス流入（２）下降調整機プロペラペルトン流入（３）上昇調整機ペルトンプロペラ流出（４）下降調速機ペルトンフランシス流出（５）上昇調速機プロペラペルトン流出 2005年（平成17年）問1 過去問解説水力発電所において、事故等により負荷が急激に減少すると、水車の回転速度は（ 上昇 ）し、それに伴って発電機の周波数も変化する。周波数を規定値に保つため、（ 調速機 ）が回転速度の変化を検出して、（ ペルトン ）水車ではニードル弁、（ フランシス ）水車ではガイドベーンの開度を加減させて水車の（ 流入 ）水量を調整し、回転速度を規定値に保つ。
2007年（平成19年）問1- 水車発電機の回転速度は、汽力発電と比べて小さいため、発電機の磁極数は多くなる。
- 電圧の大きさや周波数は、自動電圧調節器と調速機を用いて制御される。
- 発電電圧は、主変圧器で昇圧し送電される。この変圧器には発電機側にY結線、系統側にΔ結線のものが多く用いられる。
- ペルトン水車は、水の衝撃力で回転する衝動水車の一つである。
- カプラン水車は、プロペラ水車の一種で、流量に応じて羽根の角度を調整することで部分負荷での効率の低下が少ない。
次の文章は、水力発電に関する記述である。水力発電は、水の持つ位置エネルギーを水車により機械エネルギーに変換し、発電機を回す。水車には衝動水車と反動水車がある。（ ア ）には（ イ ）、プロペラ水車などがあり、揚水式のポンプ水車としても用いられる。これに対し、（ ウ ）の主要な方式である（ エ ）は高落差で流量が比較的少ない場所で用いられる。水車の回転速度は構造上比較的低いため、水車発電機は一般的に極数を（ オ ）するように設計されている。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（オ）（１）反動水車ペルトン水車衝動水車カプラン水車多く（２）衝動水車フランシス水車反動水車ペルトン水車少なく（３）反動水車ペルトン水車衝動水車フランシス水車多く（４）衝動水車フランシス水車反動水車斜流水車少なく（５）反動水車フランシス水車衝動水車ペルトン水車多く 2008年（平成20年）問1 過去問解説水力発電は、水の持つ位置エネルギーを水車により機械エネルギーに変換し、発電機を回す。水車には衝動水車と反動水車がある。（ 反動水車 ）には（ フランシス水車 ）、プロペラ水車などがあり、揚水式のポンプ水車としても用いられる。これに対し、（ 衝動水車 ）の主要な方式である（ ペルトン水車 ）は高落差で流量が比較的少ない場所で用いられる。水車の回転速度は構造上比較的低いため、水車発電機は一般的に極数を（ 多く ）するように設計されている。
水車の回転速度は，1000/ min 以下です。商用周波数(50Hz，60Hz)の交流を発生させるためには，発電機の磁極数 を多くしなければなりません。
2010年（平成22年）問1衝動水車は、位置水頭を（ ア ）に変えて、水車に作用させるものである。この衝動水車は、ランナ部で（ イ ）を用いないので、（ ウ ）水車のように、水流が（ エ ）を通過するような構造が可能となる。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（１）圧力水頭速度水頭フランシス空気中（２）圧力水頭速度水頭フランシス吸出管中（３）速度水頭圧力水頭フランシス吸出管中（４）速度水頭圧力水頭ペルトン吸出管中（５）速度水頭圧力水頭ペルトン空気中 2010年（平成22年）問1 過去問解説衝動水車は、位置水頭を（ 速度水頭 ）に変えて、水車に作用させるものである。この衝動水車は、ランナ部で（ 圧力水頭 ）を用いないので、（ ペルトン ）水車のように、水流が（ 空気中 ）を通過するような構造が可能となる。
2011年（平成23年）問1- 水車上流側の上部水槽で水位が上昇した。
- 水車流量が低下した。
- 水車発電機の回転数は定格回転数である。
- 発電機無効電力は零（0）のまま変化していない。
- 励磁電圧が低下した。
- 保護リレーは動作していない。
- 水位観測地点（上部水槽）より上流側水路
- 水車を含む水位観測地点（上部水槽）より下流側水路
- 電圧調整装置
- 励磁装置
- 発電機
- 水車上流側の上部水槽で水位が上昇した。
- 水車流量が低下した。
次の文章は、水力発電に用いる水車に関する記述である。水をノズルから噴出させ、水の位置エネルギーを運動エネルギーに変えた流水をランナに作用させる構造の水車を（ ア ）水車と呼び、代表的なものに（ イ ）水車がある。また、水の位置エネルギーを圧力エネルギーとして、流水をランナに作用させる構造の代表的な水車に（ ウ ）水車がある。さらに、流水がランナを軸方向に通過する（ エ ）水車もある。近年の地球温暖化防止策として、農業用水・上下水道・工業用水など少水量と低落差での発電が注目されており、代表的なものに（ オ ）水車がある。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（オ）（１）反動ペルトンプロペラフランシスクロスフロー（２）衝動フランシスカプランクロスフローポンプ（３）反動斜流フランシスポンププロペラ（４）衝動ペルトンフランシスプロペラクロスフロー（５）斜流カプランクロスフロープロペラフランシス 2013年（平成25年）問1 過去問解説水をノズルから噴出させ、水の位置エネルギーを運動エネルギーに変えた流水をランナに作用させる構造の水車を（ 衝動 ）水車と呼び、代表的なものに（ ペルトン ）水車がある。また、水の位置エネルギーを圧力エネルギーとして、流水をランナに作用させる構造の代表的な水車に（ フランシス ）水車がある。さらに、流水がランナを軸方向に通過する（ プロペラ ）水車もある。近年の地球温暖化防止策として、農業用水・上下水道・工業用水など少水量と低落差での発電が注目されており、代表的なものに（ クロスフロー ）水車がある。
2014年（平成26年）問1次の文章は、水車の調速機の機能と構造に関する記述である。水車の調速機は、発電機を系統に並列するまでの間においては水車の回転速度を制御し、発電機が系統に並列した後は（ ア ）を調整し、また、事故時には回転速度の異常な（ イ ）を防止する装置である。調速機は回転速度などを検出し、規定値との偏差などから演算部で必要な制御信号を作って、パイロットバルブや配圧弁を介してサーボモータを動かし、ペルトン水車においては（ ウ ）、フランシス水車においては（ エ ）の開度を調整する。
（ア）（イ）（ウ）（エ）（１）出力上昇ニードル弁ガイドベーン（２）電圧上昇ニードル弁ランナベーン（３）出力下降デフレクタガイドベーン（４）電圧下降デフレクタランナベーン（５）出力上昇ニードル弁ランナベーン 2014年（平成26）問1 過去問解説水車の調速機は、発電機を系統に並列するまでの間においては水車の回転速度を制御し、発電機が系統に並列した後は（ 出力 ）を調整し、また、事故時には回転速度の異常な（ 上昇 ）を防止する装置である。調速機は回転速度などを検出し、規定値との偏差などから演算部で必要な制御信号を作って、パイロットバルブや配圧弁を介してサーボモータを動かし、ペルトン水車においては（ ニードル弁 ）、フランシス水車においては（ ガイドベーン ）の開度を調整する。
2017年（平成29年）問2次の文章は、水車のキャビテーションに関する記述である。運転中の水車の流水経路中のある点で( ア )が低下し、そのときの( イ )以下になると、その部分の水は蒸発して流水中に微細な気泡が発生する。その気泡が( ア )の高い箇所に到達すると押し潰され消滅する。このような現象をキャビテーションという。水車にキャビテーションが発生すると、ランナやガイドベーンの壊食、効率の低下、( ウ )の増大など水車に有害な現象が現れる。吸出し管の高さを( エ )することは、キャビテーションの防止のため有効な対策である。
(ア)(イ)(ウ)(エ)（１）流速飽和水蒸気圧吸出し管水圧低く（２）流速最低流速吸出し管水圧高く（３）圧力飽和水蒸気圧吸出し管水圧低く（４）圧力最低流速振動や騒音高く（５）圧力飽和水蒸気圧振動や騒音低く 2017年（平成29年）問2 過去問解説運転中の水車の流水経路中のある点で( 圧力 )が低下し、そのときの( 飽和水蒸気圧 )以下になると、その部分の水は蒸発して流水中に微細な気泡が発生する。その気泡が( 圧力 )の高い箇所に到達すると押し潰され消滅する。このような現象をキャビテーションという。水車にキャビテーションが発生すると、ランナやガイドベーンの壊食、効率の低下、( 振動や騒音 )の増大など水車に有害な現象が現れる。吸出し管の高さを( 低く )することは、キャビテーションの防止のため有効な対策である。
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