平成28年度 第一種 電気主任技術者二次試験 電力・管理
目次
問1 火力発電所におけるコンバインドサイクル発電
火力発電所におけるコンバインドサイクルに関して次の問に答えよ。
- 図 1 ，図 2 それぞれの発電方式の名称を答えよ。
- 図 1 の発電方式と比較した場合，図 2 の発電方式の特徴について四つ述べよ。
コンバインドサイクル発電（combined cycle generation）は，2 種類の発電システムを結合して高温域から低温域までエネルギーを利用し，高い効率を得ようとするもので，燃焼ガスがもっているエネルギーを，高温域はガスタービンで発電し，低温域はガスタービンの排気をボイラに導いて熱回収を行い，発生した蒸気を利用して蒸気タービンで発電するものである。
発電方式
図 1 は排熱回収方式（ガスタービンの排気を，排熱回収熱交換器に導き，その熱回収によって蒸気を発生し，蒸気タービンを駆動する方式）である。
図 2 は排気再燃方式（ガスタービンの排気を，ボイラ燃焼用空気として利用し，排熱回収を行うとともに，ガス中の残存酸素で再燃焼させる方式）である。
図 2 の発電方式の特徴
- 発電機を回転させる動力源として，蒸気タービンのみを利用する既設のコンベンショナル（従来型）火力のリパワリング（出力増強と熱効率改善）に適用可能
- プラント出力に対する蒸気タービンの出力の割合が大
- 蒸気タービンの単独運転が可能
- ボイラに使用する燃料は，ガスタービンと無関係に選択可能
問2 送電線の T 型等価回路
周波数 50 Hz の電力系統において，電線 1 条当たりのインダクタンス 1.6 mH/km，静電容量 0.01 μF/kmの三相3線式送電線がある。この送電線のこう長が100 km，回線数が 2 回線のとき，次の問に答えよ。なお，送電線は T 形等価回路で表されるものとし，抵抗及び漏れコンダクタンスは無視できるものとする。
- 送電線の四端子定数 A ，B ，C ，D をそれぞれ求めよ。
- 受電端開放の場合に，受電端の線間電圧 Vr の大きさが 275 kV のとき，送電端の線間電圧 Vs の大きさ [kV] を求めよ。
- 上記 2. の場合に，送電端から供給される無効電力 [Mvar] を求めよ。ただし，無効電力は遅れ側を正とする。
送電線の T 形等価回路を下図に示す。
T 形送電線のインピーダンスは，
送電線の四端子定数は，
送電端の対地電圧を Es ，電流を Is ，受電端の対地電圧を Er ，電流を Ir とすると，
受電端開放の場合，Ir = 0 より，
線間電圧に変換して，絶対値をとると，
受電端開放の場合，Ir = 0 より，
送電線の抵抗及び漏れコンダクタンスは無視できるので，無効電力のみが供給されるので，
問3 同期発電機の過励磁制限機能動作時の系統状態
同期発電機の過励磁制限機能動作時の系統状態に関して，次の問に答えよ。
準備中
問4 架空送電線の絶縁設計
架空送電線への雷撃に対しては，架空地線などの避雷対策を講ずるものの，フラッシオーバ事故を皆無にすることは事実上不可能である。架空送電線の絶縁設計においては，系統に発生する内部異常電圧によるフラッシオーバ事故を起こさないようにするのが標準的である。次の問に答えよ。
- 内部異常電圧とは何か，具体的な例を三つ挙げて説明せよ。また，それぞれの内部異常電圧の特徴と異常電圧の大きさを左右する要因について説明せよ。
- 154 kV 以下の電圧階級における磁器がいし一連個数の決定法について説明せよ。
1. 内部異常電圧
外部より侵入する雷電圧（「外雷」又は「外部異常電圧」と呼ぶ。）と区別して，電力系統の内部的原因によって生じる異常電圧のことを意味し，開閉サージ，1 線地絡時の健全相電圧上昇や負荷遮断時の異常電圧などがある。
開閉サージ
遮断器の開閉操作によって生じ，最大数ミリ秒程度継続する過渡的異常電圧である。開閉サージの大きさは，送電線のこう長や高さなど送電線路の静電容量の大きさ，再閉路時の残留電圧の生むなどにより左右される。
- 雷過電圧解析・開閉過電圧解析の概要と解析例「開閉サージ」
1 線地絡時の健全相電圧上昇
1 線地絡故障時に健全相に発生する商用周波数の過電圧である。電圧の大きさは，中性点接地方式などによって左右される。
- 雷過電圧解析・開閉過電圧解析の概要と解析例「線路事故サージ」
負荷遮断時の電圧上昇
遮断器などで負荷遮断時に発生する商用周波数の過電圧である。電圧の大きさは，負荷遮断前の潮流，発電機の定数，送電線の静電容量などによって左右される。
2. 磁器がいし一連個数の決定法
がいし一連個数を決定する場合，内部異常電圧によってフラッシオーバが発生しないようにする。154 kV 以下の電圧階級では，開閉サージ電圧波高値とがいし連の注水時の開閉サージ耐電圧特性及び持続性異常電圧実効値とがいし連の注水時の商用周波数耐電圧特性の二つから所要連結個数を計算する。両者の計算結果を比較すると後者の絶縁裕度の方が大きく，がいし個数は通常全て開閉サージによって決まる。
実際には，保守用にがいしを通常 1 個多く設けることとして最終的な一連個数が決定される。また，臨海部などで塩害が甚だしい場合など，汚損条件下では耐圧特性が低下するので考慮が必要である。
問5 電線路の絶縁性能
電線路の絶縁性能に関して，次の問に答えよ。
- 「電気設備に関する技術基準を定める省令」及び「電気設備の技術基準の解釈」に基づき，絶縁性能を確認するために現場で行う試験について，低圧の電線路と高圧以上の電線路における試験方法の違いを説明せよ。また，それぞれの試験方法について定性的に説明せよ。
- 電線にケーブルを使用する高圧又は特別高圧の交流の電線路に関し，直流による試験が認められているが，その考え方および方法を説明せよ。
絶縁性能の試験方法
低圧電線路の絶縁性能は絶縁抵抗の値で規定され，絶縁抵抗測定により確認する。一方，高圧以上の電線路の絶縁性能は，試験電圧と試験時間によって定められている絶縁耐力試験により確認する。
絶縁抵抗測定は，試験対象の電線路の電線相互間及び電路と大地との絶縁抵抗が，規定値以上であることを確認する。絶縁抵抗測定が困難な場合，当該電線路の使用電圧が加わった状態における漏えい電流が，規定値以下であることを確認する。
絶縁耐力試験は，試験対象の電線路の最大使用電圧を基準として，定められている試験電圧を電線路と大地との間に連続して一定時間加え，異常が生じないかを確認する方法である。
電気設備に関する技術基準を定める省令 第5条 電路の絶縁
電路は、大地から絶縁しなければならない。ただし、構造上やむを得ない場合であって通常予見される使用形態を考慮し危険のおそれがない場合、又は混触による高電圧の侵入等の異常が発生した際の危険を回避するための接地その他の保安上必要な措置を講ずる場合は、この限りでない。
前項の場合にあっては、その絶縁性能は、第22条及び第58条の規定を除き、事故時に想定される異常電圧を考慮し、絶縁破壊による危険のおそれがないものでなければならない。
変成器内の巻線と当該変成器内の他の巻線との間の絶縁性能は、事故時に想定される異常電圧を考慮し、絶縁破壊による危険のおそれがないものでなければならない。
電気設備に関する技術基準を定める省令 第22条 低圧電線路の絶縁性能
低圧電線路中絶縁部分の電線と大地との間及び電線の線心相互間の絶縁抵抗は、使用電圧に対する漏えい電流が最大供給電流の 2 000 分の 1 を超えないようにしなければならない。
電気設備に関する技術基準を定める省令 第58条 低圧の電路の絶縁性能
電気使用場所における使用電圧が低圧の電路の電線相互間及び電路と大地との間の絶縁抵抗は、開閉器又は過電流遮断器で区切ることのできる電路ごとに、次の表の上欄に掲げる電路の使用電圧の区分に応じ、それぞれ同表の下欄に掲げる値以上でなければならない。
| 電路の使用電圧の区分 | 絶縁抵抗値 | |
|---|---|---|
| 300 V 以下 | 対地電圧（※）が 150 V 以下の場合 | 0.1 MΩ 以上 |
| その他の場合 | 0.2 MΩ 以上 | |
| 300 V を超えるもの | 0.4 MΩ 以上 | |
直流による試験
長距離の電力ケーブルは対地静電容量が大きく，交流試験では所用電源容量，試験設備が大きくなり，その実施が困難である場合が多いため，比較的簡単に実施できる直流での耐圧試験を行うことが認められている。
交流試験の試験電圧の 2 倍の直流電圧を，電路と大地との間（多心ケーブルにあっては，心線相互間及び心線と大地との間）に連続して 10 分間加えたとき，これに耐えられることを確認する方法である。
問6 電源脱落後の周波数低下量
電力系統A ，B 及び C が，図に示すように相互に連系されている。AB 間は非同期連系であり，BC 間は交流連系である。
A で450 MW の電源脱落が発生し，BC 間の連系潮流が，C から B の向きに214 MW となった。ただし，電源脱落前における各電力系統の周波数はそれぞれの標準周波数，各連系潮流は 0 MW とし，電源脱落後の AB 間の連系潮流は，A 及び B それぞれの周波数低下量の差に比例するものとする（比例定数を正とし，連系潮流は周波数低下量の小さい方から大きい方の向きを正とする）。なお，周波数低下量は，各電力系統の標準周波数を基準とする。
このとき，電源脱落後の以下の諸量を求めよ。諸元は次のとおりである（各記号の添字は，電力系統 A，B 又は C を表す）。
- 系統容量： S [MW]
SA = 5 000
SB = 15 000
SC = 55 000 - パーセント系統定数： %K [%MW/Hz]
%KA = 8
%KB = 10
%KC = 12
- C の周波数低下量：ΔFC [Hz]
- B の周波数低下量：ΔFB [Hz]
- AB 間の連系潮流：PAB [MW]
- A の周波数低下量：ΔFA [Hz]
- AB 間の連系潮流の比例定数：RAB [MW/Hz]
ただし，1. ，2. 及び 4. は小数第3位を，3. は小数第1位を，5. は 1 の位を，それぞれ四捨五入して答えよ。
各電力系統の系統定数は，
BC 間の連系潮流を PBC （ C から B の向きを正）とすると，C の需給バランスより，
BC 間は交流連系なので，
AB 間の連系潮流 PAB （ B から A の向きを正）は，B の需給バランスより，
電源脱落量を ΔGA とすると，A の需給バランスより，
よって，A の周波数低下量 ΔFA は，
AB 間の連系潮流の比例定数 RAB は，ΔFA > ΔFB より，