平成21年度 第一種 電気主任技術者二次試験 電力・管理
目次
問1 タービン発電機に逆相電流が流れた場合
タービン発電機に逆相電流が流れた場合，回転子に発生する現象とその影響並びに対策について述べよ。
また，タービン発電機に要求される逆相電流の制限値がどのように設定されているかを述べよ。
回転子に発生する現象
タービン発電機に不平衡負荷がかかると，固定子に逆相電流が流れ，このために回転子磁界と反対方向に同じ速度で回転する磁界が発生し，回転子表面に系統周波数の 2 倍の周波数の制動電流が流れる。この電流は主として回転子歯部の表面やくさびを流れ，コイル保持環を通って還流する。
影響と対策
機械的な影響
- 固定子巻線の受ける電磁力
- 発電機軸系が受けるねじり応力
- 固定子各部の受ける振動
- タービン翼の振動
電気的な影響
- 固定子表面の過熱
- 負荷変動と速度上昇
逆相電流の制限値
逆相電流の制限値は，回転子の過渡温度上昇 $T$（平均値）により定められており，
\[ T=\int^{t}_{0}I_{2}^{2} \text{d}t \]によって求められる。ただし，$I_2$：逆相電流（単位法），$t$：時間（秒）である。この値を水車発電機では約 40，タービン発電機では約 30（直接冷却では 10）以内に抑えることが必要である。
なお，この時間が長いとき，逆相分として許容できる限度は水車発電機で 15 ～ 20 [%]，タービン発電機で 6 ～ 8 [%] 以下とされている。
問2 地下変電所の設計
地下変電所の設計に当たり，次の2点について，考慮すべき事項を説明せよ。
- 機器配置
- 変圧器と電力ケーブルの防火対策
機器配置
機器配置に当たって，次の事項を考慮する。
- 変電所のユニット化
- 保守の安全化
- 点検修理における安全確保と作業スペースの確保
- 将来の需要を見込んだ機器配置
- 所要面積の縮小
- 主要変圧器などの重量機器を最下層部に配置し，重量を直接，基礎から地盤に伝達できるようにする。
- 自動消火設備の適正配置
- 排気装置の設置
- トータルガス絶縁化による防災対策と変電所の縮小化
- 機器搬入への考慮
- 浸水対策の検討
変圧器と電力ケーブルの防火対策
変圧器については，絶縁油を使用しない乾式変圧器（H 種絶縁など）やガス絶縁変圧器を使用する。油入変圧器を使用する場合は，タンクを補強し，内部事故時のタンク破壊による発火を防止する。
電力ケーブルについては，OF ケーブルを採用せず，CV（架橋ポリエチレン）ケーブルを採用，ケーブルシース・介在物に難燃性を付加したケーブルを採用する。さらに変電所ピットへの砂の充填，難燃材料（防火シート）のケーブルへの巻き付け・塗布も有効である。また，壁貫通部などには耐災シール材で防火区画を施す。
問3 雷撃後のがいしにかかる電圧
図に示すように，自己サージインピーダンス $Z_\text{g}$ が 500 [Ω] の架空地線 1 条を有する三相 1 回線送電線路鉄塔の頂部 A 点に雷の雷撃を受けた。この場合，雷撃後のがいしにかかる電圧の最大値に関して，次の問に答えよ。ただし，雷電圧はその波形が方形波（矩形波）で，波高値 $e_0$ は 10 000 [kV] であり，雷道のサージインピーダンス $Z_0$ は 400 [Ω]，架空地線と電線との相互サージインピーダンス $Z_\text{m}$ は 150 [Ω]，鉄塔のサージインピーダンスは $Z_\text{T}$ は 100 [Ω] とする。なお，電線の商用周波の常規対地電圧は無視し，鉄塔と架空地線及び鉄塔と電線との間の相互サージインピーダンス，並びに鉄塔の塔脚接地抵抗は無視するものとする。また，以下の間において電圧，電流はそれぞれ $e$，$i$ で表すものとする。
(1) 雷道を通ってくる雷の入射波を $e_0$，$i_0$，雷道への反射波を $e'_0$，$i'_0$，架空地線への侵入波を $e_1$，$i_1$，鉄塔への侵入波を $e_\text{T}$，$i_\text{T}$ としたときの鉄塔頂部 A 点における雷撃直後の電圧，電流について成り立つ関係式をすべて示せ。
(2) 雷撃直後の鉄塔頂部 A 点の電圧を求める計算式を示し，その値を求めよ。
(3) 雷撃後のがいしにかかる電圧の最大値を求める計算式を示し，その値を求めよ。
(1) 電圧，電流について成り立つ関係式
(2) 鉄塔頂部 A 点の電圧
(3) がいしにかかる電圧の最大値
問4 送電線の二相短絡事故
準備中
問5 特別高圧系統と連系している風力発電所
準備中
問6 供給力と供給予備力
次の三つに区分された供給力について，それぞれ①日負荷曲線上の分担とその役割，及び②対応する電源種別について述べよ。ただし，水力発電所については，発電方式（水の使用方法による分類）別に示すこと。また，火力発電所については，運用における技術的特性の概要を示すこと。
- ベース供給力
- ミドル供給力
- ピーク供給力
次の三つの供給予備力について，①それぞれを必要とする対象要因，②予備力を発揮するまでの時間特性，及び③対応する発電所について述べよ。
- 待機予備力
- 運転予備力
- 瞬動予備力
ベース供給力
日負荷曲線に沿って需要が変化する中で，昼夜を通しフラットな部分の需要の供給を担う供給力で，ほぼ最大限の出力で長期間一定運転する発電設備であり，次の設備が該当する。
- 調整能力のない流れ込み式水力
- 定格出力で連続運転可能，燃料費が低廉な原子力
- 定格出力で連続運転可能，運転費が低廉で熱効率が高い大容量火力
ミドル供給力
深夜帯を除く中間部分の需要の供給を担う供給力で，ベースとピークの中間の役割をもって毎日運転・停止可能である発電設備であり，次の設備が該当する。
- 大きな需要変動に合わせて起動・停止ができ，出力調整も可能な中容量火力
ピーク供給力
最大値に近い需要部分の供給を担う供給力で，需要のピーク部分の変動に対応して運転可能である発電設備であり，次の設備が該当する。
- 時々刻々変化する需要に対応して出力調整が容易で，かつ出力変化速度も速く，さらに起動・停止も容易な貯水池式，調整池式および揚水式水力
待機予備力
発電機の起動から全負荷をとるまでに数時間程度を要する供給力として，需要の想定値に対する持続的増加，渇水，停止までに相当の時間的余裕のある電源，または電源送電系統の不具合など相当の時間的余裕をもって予測しうるものに対応できるものをいう。具体的な供給力としては，停止待機中の火力発電所で，起動後には長期間継続発電可能な設備が該当する。
運転予備力
即時に発電可能なもの，および 10 分程度以内の短時間で発電機を起動して負荷をとり，待機予備力が起動して負荷をとる時間まで継続して発電しうる供給力として，社会的事情，天候の急変などによる需要の急増，電源を即時または短時間に停止，出力抑制しなければならない場合などに即時または短時間に系統の不足電力に対応できるものをいう。具体的な供給力としては，水力発電所，火力発電所などの部分負荷運転中の発電機の余力分，およびダム式水力発電所，揚水発電所など停止待機中の水力設備が該当する。
瞬動予備力
電力系統の瞬時の周波数低下に対して即時に応動を開始し，10秒程度以内で急速に出力を上昇し，少なくとも瞬動予備力以外の運転予備力が発動されるまでの時間，継続して自動発電可能な供給力として，万一，大電源脱落事故時において，系統の周波数が許容最大値を超えないように瞬時に対応できるものをいう。具体的な供給力としては，ガバナフリー運転中の発電機のガバナフリー余力分が該当する。