火力発電の×と〇を解き明かす【シン・Dr.フドー研究所】Vol.10

電験三種の論説問題にズームイン

2025.07.02

Vol.10
火力発電⑥

　電験の学習が、どのように現場実務に結びつくかを研究する「Dr.フドー研究所」。設立から3年、電験三種の問題を徹底的に分析し、現場実務と照合した結果、論説の「正誤問題」と「空白問題」に攻略の糸口をみつけることができた。電験三種を制し、主任技術者を志す受験者に狂喜乱舞のテーマを究明する。それが「シン・Dr.フドー研究所」だ。
　正誤問題の「×の理由」とは？　そして、空白問題に潜む「〇の理由」とは？
　正解の理由に迫ることで知識を確実にストックし、現場実務とのリンクを盤石にすることができる。さあ、いますぐ研究所のドアをノックしようじゃないか！

発電機の特徴（1）

発電機の特徴（1）

問題　タービン発電機の水素冷却方式について、空気冷却方式と比較した場合の記述として、誤っているのは次のうちどれか。
（1）水素は空気に比べ比重が小さいため、風損を減少することができる。
（2）水素を封入し全閉形となるため、運転中の騒音が少なくなる。
（3）水素は空気より発電機に使われている絶縁物に対して化学反応を起こしにくいため、絶縁物の劣化が減少する。
（4）水素は空気に比べ比熱が小さいため、冷却効果が向上する。
（5）水素の漏れを防ぐため、密封油装置を設けている。
2009（平成21）年度「電力」問2

×の理由
　比熱は大きくなるほど熱を奪い、冷却効果が大きくなる。比熱［kJ/(kg・K)］は、空気は1、水素（0.3MPa）は約14で、水素の比熱は空気より大きくなる。
　上記より、誤っている選択肢は（4）と判断できる。
答（4）

発電機の特徴（2）

問題　次の文章は、汽力発電所のタービン発電機の特徴に関する記述である。記述中の空白箇所（ア）（イ）（ウ）（エ）および（オ）にあてはまる組み合わせとして、最も適切なものを次の（1）～（5）のうちから一つ選べ。
（1）（ア）高く（イ）熱的（ウ）突極形（エ）小さく（オ）長く
（2）（ア）低く（イ）熱的（ウ）円筒形（エ）大きく（オ）短く
（3）（ア）高く（イ）機械的（ウ）円筒形（エ）小さく（オ）長く
（4）（ア）低く（イ）機械的（ウ）円筒形（エ）大きく（オ）短く
（5）（ア）高く（イ）機械的（ウ）突極形（エ）小さく（オ）長く

　汽力発電所のタービン発電機は、水車発電機に比べ回転速度がなるため、強度を要求されることから、回転子の構造はにし、水車発電機より直径をしなければならない。このため、水車発電機と同出力を得るためには軸方向にすることが必要となる。
2012（平成24）年度「電力」問2

○の理由
（ア）タービン発電機は蒸気タービンに高温、高圧の蒸気を用いる。効率を高くするため水車発電機に比べて回転速度を高くしている。
（イ）（ウ）（エ）このため、機械的強度面から回転子の構造は円筒形として、水車発電機より直径を小さくしなければならない。
（オ）水車発電機と同出力を得るためには、軸方向に長くすることが必要となる。
　上記より、正しい組み合わせは（3）と判断できる。
答（3）

発電機の特徴（3）

問題　次の文章は、火力発電所のタービン発電機に関する記述である。記述中の空白箇所（ア）～（オ）にあてはまる組み合わせとして、正しいものを次の（1）～（5）のうちから一つ選べ。
（1）（ア）同期（イ）熱的　（ウ）突極形（エ）小さい（オ）窒素
（2）（ア）誘導（イ）熱的　（ウ）円筒形（エ）大きい（オ）水素
（3）（ア）同期（イ）機械的（ウ）円筒形（エ）小さい（オ）水素
（4）（ア）誘導（イ）機械的（ウ）突極形（エ）大きい（オ）窒素
（5）（ア）同期（イ）機械的（ウ）突極形（エ）小さい（オ）窒素

　火力発電所のタービン発電機は、2極の回転界磁形三相発電機が広く用いられている。強度の関係から、回転子の構造はで直径が。発電機の大容量化に伴い冷却方式も工夫され、大容量タービン発電機の場合には密封形冷却方式が使われている。
2022（令和4）年度「電力」問2

○の理由
（ア）タービン発電機には回転界磁形三相同期発電機が用いられ、磁極数は、火力は2極、原子力は4極である。
（イ）（ウ）（エ）タービン発電機は機械的強度の関係から、回転子の構造は円筒形で直径が小さい。
（オ）大容量タービン発電機は損失も大きいため、空気より冷却性能の優れた水素を用いた密封形水素冷却方式が使われている。
　上記より、正しい組み合わせは（3）と判断できる。
答（3）

「同期発電機の並行運転の条件」
　同期発電機を他の発電機と並列に運転することを「並行運転」という。並行運転には、それぞれの同期発電機の周波数、電圧、位相を一致させなければならない。

発電機の特徴（4）

問題　次の文章は、発電所に用いられる同期発電機である水車発電機とタービン発電機の特徴に関する記述である。記述中の空白箇所（ア）（イ）（ウ）（エ）および（オ）にあてはまる組み合わせとして、正しいものを次の（1）～（5）のうちから一つ選べ。
（1）（ア）突極機（イ）円筒機（ウ）大きく（エ）小さく（オ）線路充電容量
（2）（ア）円筒機（イ）突極機（ウ）大きく（エ）小さく（オ）線路充電容量
（3）（ア）突極機（イ）円筒機（ウ）大きく（エ）小さく（オ）部分負荷効率
（4）（ア）円筒機（イ）突極機（ウ）小さく（エ）大きく（オ）部分負荷効率
（5）（ア）突極機（イ）円筒機（ウ）小さく（エ）大きく（オ）部分負荷効率

　水力発電所に用いられる水車発電機は直結する水車の特性から、その回転速度はおおむね100min^-1～1000min^-1とタービン発電機に比べ低速である。したがって、商用周波数50/60Hzを発生させるために磁極を多くとれるを用い、大形機では据付面積が小さく落差を有効に使用できる立軸形が用いられることが多い。タービン発電機に比べ、直径が大きく軸方向の長さが短い。
　一方、火力発電所に用いられるタービン発電機は原動機である蒸気タービンと直結し、回転速度が水車に比べ非常に高速なため2極機または4極機が用いられ、大きな遠心力に耐えるように、直径が小さく軸方向に長い横軸形のを採用し、その回転子の軸および鉄心は一体の鍛造軸材でつくられる。
　水車発電機は、電力系統の安定度の面および負荷遮断時の速度変動を抑える点から発電機の経済設計以上のはずみ車効果を要求される場合が多く、回転子直径がより大きくなり、鉄心の鉄量が多い、いわゆる鉄機械となる。
　一方、タービン発電機は上記の構造のため界磁巻線を施す場所が制約され、大きな出力を得るためには電機子巻線の導体数が多い、すなわち銅量が多い、いわゆる銅機械となる。
　鉄機械は、体格が大きく重量が重く高価になるが、短絡比が、同期インピーダンスがなり、電圧変動率が小さく、安定度が高く、が大きくなるといった利点をもつ。
2016（平成28）年度「電力」問2

○の理由
（ア）（イ）水車発電機は低速で磁極の多い突極機である。一方、タービン発電機は極数の少ない（2極か4極）円筒機である。
（ウ）（エ）（オ）水車発電機は鉄機械で、短絡比が大きく、同期インピーダンスが小さくなり、電圧変動率が小さい。また、安定度が高く、線路充電容量が大きくなる。
　上記より、正しい組み合わせは（1）と判断できる。
答（1）

発電機の特徴（5）

問題　次の文章は、タービン発電機の水素冷却方式の特徴に関する記述である。記述中の空白箇所（ア）（イ）（ウ）（エ）および（オ）にあてはまる組み合わせとして、正しいものを次の（1）～（5）のうちから一つ選べ。
（1）（ア）比熱（イ）比重（ウ）活性（エ）90％（オ）窒素ガス
（2）（ア）比熱（イ）比重（ウ）活性（エ） 60％（オ）窒素ガス
（3）（ア）比熱（イ）比重（ウ）不活性（エ）90％（オ）油膜
（4）（ア）比重（イ）比熱（ウ）活性（エ）60％（オ）油膜
（5）（ア）比重（イ）比熱（ウ）不活性（エ）90％（オ）窒素ガス

　水素ガスは、空気に比べが大きいため冷却効率が高く、また、空気に比べが小さいため風損が小さい。
　水素ガスは、であるため、絶縁物への劣化影響が少ない。水素ガス圧力を高めると大気圧の空気よりコロナ放電が生じ難くなる。
　水素ガスと空気を混合した場合は、水素ガス濃度が一定範囲内になると爆発の危険性があるので、これを防ぐため自動的に水素ガス濃度を以上に維持している。
　通常運転中は、発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れないように軸受の内側にによるシール機能を備えており、機内からの水素ガスの漏れを防いでいる。
2018（平成30）年度「電力」問1

○の理由
（ア）（イ）水素ガスは空気より比熱が14倍と大きいため冷却効率が高く、比重が0.07倍と小さいため風損が小さい。
（ウ）水素ガスは化学的に不活性であるため、絶縁物への劣化影響が少ない。
（エ）水素ガスは純度4～75％で引火および爆破の危険があるため、自動的に水素ガス濃度を90％以上に維持している。
（オ）通常運転中は発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れないように、軸受けの内側に油膜によるシール機能を備えている。
　上記より、正しい組み合わせは（3）と判断できる。
答（3）