平成25年度 第二種 電気主任技術者二次試験 電力・管理

汽力発電所で用いられている自然循環ボイラについて，次の問に答えよ。

1. このボイラの原理を説明し，さらに使用圧力の適正範囲と理由を説明せよ。
2. ボイラ給水ポンプから供給される給水が蒸気としてタービンに供給されるまでの流体のフローを以下の用語を用いて説明せよ。
   （用語）ボイラ給水ポンプ，過熱器，降水管，節炭器，水管（水冷壁），汽水ドラム，蒸気タービン
3. 貫流ボイラと比較した場合の自然循環ボイラの長所を二つ述べよ。

図 1 に示すように，無負荷の三心ケーブルの金属遮へい部を設置して 3 本の導体に周波数 f [Hz] の三相平衡電圧（線間電圧）$V_1$ [V] を加えたときに各導体に流れる電流を $I_1$ [A] とする。また，図 2 に示すように，全ての導体を接続して周波数 $f$ [Hz] の交流電圧 $V_2$ [V] を加えたときに各導体に流れる電流を $I_2$ [A] とする。このケーブルについて次の問に答えよ。ただし，導体相互間の静電容量は等しく，各導体と金属遮へい部間の静電容量も等しいものとする。また，各導体の抵抗，インダクタンスは無視する。

1. 導体相互間の静電容量 $C_\text{m}$ [F]，及び各導体と金属遮へい間の静電容量 $C_\text{O}$ [F] をそれぞれ求めよ。
2. このケーブルを図 3 のように接続して周波数 $5f$ [Hz] の交流電圧 $V_3$ [V] を加えた。流れる電流 $I_3$ [A] を $I_1$ [A]，$I_2$ [A]，$V_1$ [V]，$V_2$ [V]，$V_3$ [V] を用いて求めよ。

高圧配電系統に同期発電機を連系する場合に，同期発電機を設置する構内の保護リレーについて，次の問に答えよ。

1. 構内の地絡故障保護には，受電点近くに設置した地絡過電流リレー（OCGR）などを用いるが，同期発電機を連系する場合の高圧配電系統側の地絡故障保護には，地絡過電圧リレー（OVGR）を用いる理由を説明せよ。
2. 構内の短絡故障保護には，受電点近くに設置した過電流リレー（OCR）などを用いるが，同期発電機を連系する場合の高圧配電系統側の短絡故障保護には，短絡方向リレー（DSR）を用いる理由を説明せよ。
3. 地絡過電圧リレー（OVGR）と短絡方向リレー（DSR）は配電用変電所の保護装置と時限協調を図って保護する理由を説明せよ。

図に示すように電圧 $E$ の無限大母線から，リアクタンス $X$ の送電線で負荷に電力を供給している。負荷の有効電力を $P$，無効電力を $Q$（遅れ無効電力を正とする。），負荷端の複素電圧を $V_\text{e} - \text{j}\delta$ として次の問に答えよ。

なお，$X = 0.2$ [p.u.]，$E = 1.0$ [p.u.] とし，送電線の抵抗と静電容量は無視できるものとする。また，負荷の $P$，$Q$ は電圧に対し定電力特性をもつものとする。

1. 負荷の $P$，$Q$ を与えられた変数（$E$，$V$，$X$，$\delta$）で示せ。
2. 1. で得られた式から $\delta$ を消去し，$P$，$Q$ と $V$ の関係式，すなわち電力円線図を表す方程式を導け。
3. 負荷の力率を 1.0 としたときの負荷端電圧 $V$ の値を求めることのできる $P$ の最大値，すなわち電圧安定性を維持できる限界点の $P$（電圧安定限界値）を与えられた数値を用いて求めよ。（2. で得られた式は $V_2$ に関する二次方程式であることを利用せよ。）
4. 3. と同様に，負荷の力率を 0.9 （進み）としたときの $P$ の最大値（電圧安定限界値）を求めよ。
5. 負荷の力率を一定にして $P$ を増加したとき，$V = 1.0$ [p.u.] で $P$ が最大（電圧安定限界）となった。そのときの $P$ の最大値（電圧安定限界値）を求めよ。

図のような三相 3 線式 6 kV 高圧配電系から受電している需要家がある。負荷の一部に三相の高調波発生機器があり，高調波電流 $I_\text{n}$ を流出している。また，進相コンデンサにはそのリアクタンスの 6 [%] のリアクタンスを有する直列リアクトルが接続されている。

ただし，基準容量により換算した各部のリアクトルは，$X_\text{L0} = 0.20$ [p.u.]，$X_\text{C} = 30.0$ [p.u.]，$X_\text{T} = 0.05$ [p.u.] とする。このとき，次の問に答えよ。

1. 進相コンデンサに直列リアクトルを接続する理由を二つ述べよ。
2. 流出している高調波電流を高圧配電系に換算した第 5 調波電流 $I_5$ が 10 [A] であったとき，高圧配電系に流出する電流 $I_\text{Ln}$ のうち第 5 調波電流 $I_\text{L5}$ [A] を求めよ。
3. 6 [%] の直列リアクトルを接続しない場合の高圧配電系に流出する第 5 調波電流を $I_\text{L5}'$ [A] とすると，$I_\text{L5}'$ は，接続時の流出電流 $I_\text{L5}$ の何 [%] となるか求めよ。

電力の需給及び貯蔵に関する次の問に答えよ。

1. 年負荷率が向上する場合の電力供給側のメリットを挙げよ。また，広域連系した場合，年負荷率は改善するが，その理由を説明せよ。
2. 揚水式発電所の系統運用上の特長を説明せよ。また，可変速揚水発電方式を採用する理由を説明せよ。
3. 工場やビルの電力需要側に電力用蓄電池が設置される場合があるが，この電力用蓄電池の効果を説明せよ。