第3種 電 力 第2回...

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- 1 - 第3種 電 力 第2回 A問題(配点は1問題当たり5点) 問1 最大使用水量20[m /s],総落差110[m],損失落差10[m]の水力発電所がある.年 平均使用水量を最大使用水量の65[%]とするとき,この発電所の年間発電電力量[GWh]の値として,最も近いのは次のうちどれか. ただし,発電所総合効率は90[%]一定とする. (1)70 (2)100 (3)120 (4)135 (5)150

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第3種 電 力 第2回

A問題(配点は1問題当たり5点)

問1 最大使用水量20[m3/s],総落差110[m],損失落差10[m]の水力発電所がある.年

平均使用水量を最大使用水量の65[%]とするとき,この発電所の年間発電電力量[GW・

h]の値として,最も近いのは次のうちどれか.

ただし,発電所総合効率は90[%]一定とする.

(1)70 (2)100 (3)120 (4)135 (5)150

阪上 弘
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問2 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.

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に記入する語句として,正しいも

のを組み合わせたのは次のうちどれか.

(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

阪上 弘
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問3 火力発電所において,燃料の燃焼によりボイラから発生する窒素酸化物を抑制する

ために,燃焼域での酸素濃度を (ア) する,燃焼温度を (イ) する等の燃焼方法の

改善が有効であり.その一つの方法として排ガス混合法が用いられている.

さらに,ボイラ排ガス中に含まれる窒素酸化物の削減方法として, (ウ) 出口の

排ガスにアンモニアを加え,混合してから触媒層に入れることにより,窒素酸化物を

窒素と (エ) に変えるアンモニア接触還元法が適用されている.

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ)及び(エ)に記入する語句として,正しいものを

組み合わせたのは次のうちどれか.

(ア) (イ) (ウ) (エ)

(1) 高 く 低 く 再熟器 水蒸気

(2) 低 く 低 く 節炭器 二酸化炭素

(3) 低 く 高 く 過熱器 二酸化炭素

(4) 低 く 低 く 節炭器 水蒸気

(5) 高 く 高 く 過熱器 水蒸気

阪上 弘
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問4 蒸気の使用状態による蒸気タービンの分類に関する記述として,誤っているのは次

のうちどれか.

(1) 復水タービン:タービンの排気を復水器で復水させて高真空を得ることにより,蒸

気をタービン内で十分低圧まで膨張させるタービン.

(2) 背圧タービン:タービンで仕事をさせた後の排気を,工場用蒸気その他に利用する

タービン.

(3) 抽気タービン:タービンの中間から膨張途中の蒸気を取り出し,工場用蒸気その他

に利用するタービン.

(4) 再生タービン:タービンの中間から-部膨張した蒸気を取り出し,再加熱してター

ビンの低圧段に戻し,さらに仕事をさせるタービン.

(5) 混圧タービン:異なった圧力の蒸気を同-タービンに入れて仕事をさせるタービン.

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問5 沸騰水型軽水炉(BWR)に関する記述として,誤っているのは次のうちどれか.

(1) 燃料には低濃縮ウランを,冷却材及び減速材には軽水を使用する.

(2) 加圧水型軽水炉(PWR)に比べて出力密度が大きいので,炉心及び原子炉圧力容器は

小さくなる.

(3) 出力調整は,制御棒の抜き差しと再循環ポンプの流量調整により行う.

(4) 加圧水型軽水炉に比べて原子炉圧力が低く,蒸気発生器がないので構成が簡単であ

る.

(5) タービン系に放射性物質が持ち込まれるため,タービン等に遮へい対策が必要であ

る.

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問6 燃料電池発電は,一般的に (ア) ,メタノール等を改質して得られる水素と空気

中の酸素との電気化学反応により直接発電する方式である.燃料電池の発生電力は直

流であるので,電力系統につなぐ場合には (イ) を用いる必要がある.燃料電池は

使用する電解質の種類で分類されているが,最も実用化が進んでいるのが (ウ) 形

燃料電池であり,その反応温度は (エ) [℃]前後,発電効率は (オ) [%]程度であ

る.

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に記入する数値又は字句として,

正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか.

(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ)

(1) 天然ガス 整流装置 りん酸 200 40

(2) 天然ガス インバータ 溶融炭酸塩 500 50

(3) 天然ガス インバータ りん酸 200 40

(4) 高炉ガス インバータ 溶融炭酸塩 500 50

(5) 高炉ガス 整流装置 りん酸 200 40

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問7 中小水力や風力発電に使用されている誘導発電機の特徴について,同期発電機と比

較した記述として,誤っているのは次のうちどれか.

(1) 励磁装置が不要で,建設及び保守のコスト面で有利である.

(2) 始動,系統への並列などの運転操作が簡単である.

(3) 負荷や系統に対して遅れ無効電力を供給することができる.

(4) 単独で発電することができず,電力系統に並列して運転する必要がある.

(5) 系統への並列時に大きな突入電流が流れる.

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問8 交流送配電系統では,負荷が変動しても受電端電圧値をほぼ一定に保つために,変電所

等に力率を調整する設備を設置している.この装置を調相設備という.

調相設備には, (ア) , (イ) ,静止形無効電力補償装置,同期調相機等がある.

(ウ) には (ア) により調相設備に進相負荷をとらせ, (エ) には (イ) により遅相

負荷をとらせて,受電端電圧を調整する.同期調相機は (オ) を調整することにより,

上記いずれの調整も可能である.

上記の記述中の空白箇所の(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に当てはまる語句として,正し

いものを組み合わせたのは次のうちどれか.

(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ)

(1) 電力用コンデンサ 分路リアクトル 重負荷時 軽負荷時 界磁電流

(2) 電力用コンデンサ 分路リアクトル 軽負荷時 重負荷時 電機子電流

(3) 分路リアクトル 電力用コンデンサ 重負荷時 軽負荷時 界磁電流

(4) 分路リアクトル 電力用コンデンサ 軽負荷時 重負荷時 界磁電流

(5) 電力用コンデンサ 分路リアクトル 重負荷時 軽負荷時 電機子電流

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問9 配電用変電所における6.6〔kV〕非接地方式配電線の一般的な保護に関する記述とし

て,誤っているのは次のうちどれか.

(1) 短絡事故の保護のため,各配電線に過電流継電器が設置される.

(2) 地絡事故の保護のため,各配電線に地絡方向継電器が設置される.

(3) 地絡事故の検出のため,6.6〔kV〕母線には地絡過電圧継電器が設置される.

(4) 配電線の事故時には,配電線引出口遮断器は,事故遮断して一定時間(通常1分)

の後に再閉路継電器により自動再閉路される.

(5) 主要変圧器の二次側を遮断させる過電流継電器の動作時限は,各配電線を遮断さ

せる過電流継電器の動作時限より短く設定される.

阪上 弘
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900m 500m

30A 20A

電源

問10 図のような三相3線式配電線路で,各負荷に電力を供給する場合,全線路の電圧降下

[Ⅴ]の値として,最も近いのは次のうちどれか.

ただし,電線の太さは全区間同一で抵抗は1[km]当たり0.3[Ω],リアクタンスは

0.4[Ω]とし,負荷の力率はいずれも100[%]する.

(1)19.3 (2)22.4 (3)28.6

(4)38.5 (5)57.8

阪上 弘
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問11 架空送電線路の付属品に関する記述として,誤っているのは次のうちどれか.

(1) スリーブ:電線相互の接続に用いられる.

(2) ジャンパ:電線を保持し,がいし装置に取り付けるために用いられる.

(3) スペーサ:多導体方式において,強風などによる電線相互の接近・衝突を防止す

るために用いられる.

(4) アーマロツド:懸垂クランプ内の電線に巻き付けて,電線振動による応力の軽減

やアークによる電線損傷の防止のために用いられる.

(5) ダンパ:電線の振動を抑制して,断線を防止するために用いられる.

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問12 配電系統の構成方式の一つであるスポットネットワーク方式に関する記述として,

誤っているのは次のうちどれか.

(1)都市部の大規模ビルなど高密度大容量負荷に供給するための,2回線以上の配電線に

よる信頼度の高い方式である.

(2)万一,ネットワーク母線に事故が発生したときには,受電が不可能となる.

(3)配電線の1回線が停止するとネットワークプロテクタが自動開放するが, 配電線の復

旧時にはこのプロテクタを手動投入する必要がある.

(4)配電線事故で変電所遮断器が開放すると,ネットワーク変圧器に逆電流が流れ,逆電

力継電器により事故回線のネットワークプロテクタを開放する.

(5)ネットワーク変圧器の一次側は,一般には遮断器が省略され,受電用断路器を介して

配電線と接続される.

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問13 現在,主に使用されている電力ケーブルは,紙と油を絶縁体に使用するOFケーブル

と, (ア) を絶縁体に使用するCVケーブルである.

OFケーブルにおいては,充てんされた絶縁油を加圧することにより, (イ) の発

生を防ぎ絶縁耐力の向上を図っている.このために,給油設備の設置が必要である.

一方,CVケーブルは絶縁体の誘電正接,比誘電率がOFケーブルよりも小さいために.

誘電損や (ウ) が小さい.また,絶縁体の最高許容温度はOFケーブルよりも高いた

め,導体断面積が同じ場合, (エ) はOFケーブルよりも大きくすることができる.

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ)及び(エ)に記入する語句として,正しいものを

組み合わせたのは次のうちどれか.

(ア) (イ) (ウ) (エ)

(1) 架橋ポリエチレン 熱 充電電流 電流容量

(2) プチルゴム ボイド 抵抗損 電流容量

(3) プチルゴム 熱 抵抗損 使用電圧

(4) 架橋ポリエチレン ボイド 充電電流 電流容量

(5) 架橋ポリエチレン ボイド 抵抗損 使用電圧

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問14 絶縁材料の基本的性質に関する記述として,誤っているのは次のうちどれか.

(1) 絶縁材料は熱的,電気的,機械的原因などにより劣化する.

(2) 気体絶縁材料は圧力により絶縁耐力が変化する.

(3) 液体絶縁材料には比熱容量,熱伝導度の小さいものが適している.

(4) 六ふっ化硫黄(SF6)ガスは,絶縁耐力が空気や窒素と比較して高く,アークを

消弧する能力に優れている.

(5) 真空は絶縁性能に優れており,遮断器などに利用される.

阪上 弘
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B問題(配点は1問題当たり(a)5点,(b)5点,計 10 点)

問15 上地水位が標高750[m],下池水位が標高500[m]の揚水発電所がある.水圧管の損

失落差は揚水及び発電とも5[m],ポンプ及び水車の効率は85[%],電動機及び発電機

の効率は98[%]とするとき,次の(a)及び(b)について答えよ.

(a) 電動機入力が150[MW]であるときの揚水量[m3/s]の値として,最も近いのは次の

うちどれか.

(1) 40.0 (2) 42.5 (3) 45.5 (4) 50.0 (5) 55.5

(b) 揚水に費やした電力の何パーセントの発電ができるか.最も近い値を次のうちから

選べ.ただし,揚水量[m3/s]と使用水量[m3/s]は等しいものとする.

(1) 64.8 (2) 66.7 (3) 69.4 (4) 71.8 (5) 77.7

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問16 最大出力6,000〔kW〕自家用汽力発電所がある.発熱量44,000〔kJ/kg〕の重油(その

化学成分は重量比で炭素85%,水素15%)を使用して,50日間連続運転した.この間の

重油使用量は1,200[t],設備利用率は60[%]であった.次の(a)及び(b)に答えよ.

(a) 発電端における熱効率〔%〕の値として,最も近いのは次のうちどれか.

(1) 23.5 (2) 25.5 (3) 27.5 (4) 29.5 (5) 31.5

(b) 二酸化炭素の発生量[kg/kWh]の値として,最も近いのは次のうちどれか.

ただし,炭素の原子量を12,酸素の原子量を16とする。

(1) 0.71 (2) 0.82 (3) 0.94 (4) 1.02 (5) 1.14

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6.3/KV

三相交流電源

210V

三相負荷

問17 容量75[kV・A],一次側及び二次側の定格電圧がそれぞれ 6 3 3. / [kV]及び210[V]

の単相変圧器3台を,図のように一次側Y,二次側△に結線している.この変圧器群

の一次側に6.3[kV]の三相交流電源を接続して,二次側に接続された遅れ力率0.8,

180[kW]の平衡した三相負荷に電力を供給している.変圧器出力端子が210[V]のと

き,負荷側端子が200[V]となったとき,次の(a)及び(b)について答えよ.

ただし,変圧器の損失は無視するものとする。また,低圧配電線は線路抵抗以外

のインピーダンスは無視するものとする.

(a) この単相変圧器の一次側巻線に流れている電流[A]の値として,最も近いのは次

のうちどれか.

(1) 11.8 (2) 16.5 (3) 20.6 (4) 35.6 (5) 61.8

(b) 低圧配電線路の線路損失[kW]の値として,最も近いのは次のうちどれか.

(1) 6 (2) 8 (3) 10 (4) 12 (5) 14

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電 力 解 答 第2回

問1 答…(2)

611466 365 24 10 GW hW 年間発電電力量 ≒100.4 ・

9 8 20 0 65 110 10 0 9 11466. . . kWP 発電所の平均出力

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問2 答…(1)

流水中に飽和蒸気圧力以下の低圧部または真空部ができると,水中の溶存酸素が気泡

や水蒸気となり,圧力の高い所へくると泡が崩壊し,大きな衝撃を発生する.これをキ

ヤビテーションといい,ランナ表面等を壊食させる.このキャビテーションの発生を防

止するためには,水車の比速度をあまり高くとらない.吸出管の吸い出し高さを小さく

し,上部に適量の空気を入れる.ランナ羽根やバケットの表面を平滑に仕上げる.水車

の軽負荷運転や過負荷運転を避ける.発生しやすい水車部分に腐食しにくい金属を使用

する等の対策がある.

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問3 答…(4)

燃料の燃焼に伴って発生する窒素酸化物は空気中の窒素が酸化して生ずるNOx(サー

マルNOx)と燃料中の窒素分が酸化して生ずるNOx(フユーエルNOx)に分けられる.

このうち,サーマルNOxは温度が高いほど発生しやすいとされており,ボイラにおけ

るNOx低減対策は,サーマルにNOx対し燃焼温度の低減,高温域での燃焼ガス滞留時間

の短縮,酸素濃度の低下を図り,フユーエルNOxに対しては低窒素燃料の採用を図って

いくことが有効となり,抑制策として次のようなものがある.

(1)排ガス再循環燃焼(排ガス混合法) (2)二段燃焼方式 (3)低空気過剰率燃焼

(4)ボイラ熱負荷低減 (5)低NOxバーナの採用

また,一度発生したNOxをさらに低減させるために排煙脱硝装置が設置される.

排煙脱硝方式としては,現在,接触還元法が最も多く用いられている.この方式は窒

素酸化物を含む排ガス中に還元剤であるアンモニアを注入し,触媒上でNOxを窒素と水

に分解するものである.装置は触媒を充てんした反応器とアンモニアを注入するための

アンモニア供給設備で構成されている.

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問4 答…(4)

再生タービンは,膨張途中の蒸気を一部抽出して給水を過熱し,復水器で失われる熱

量を減少させるようにしたタービン

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問5 答…(2)

一般に沸騰水型軽水炉(BWR)の単位体積当たりの出力密度は加圧水型軽水炉(PWR)

よりも小さく,同じ出力の炉を考えたとき炉心はBWRの方が大きくなる.

(1) 加圧水型軽水炉(PWR)

軽水を減速材と冷却水に兼用し,水を沸騰させないよう原子炉容器を加圧し,熱交換

器(蒸気発生器)によって二次系統の水を蒸気にしてこれをタービンに送り込む方式の原

子炉である.PWRは炉が小型となる,放射能がタービン側へ移行しないので,遮へいが不

必要となり,保守点検が容易であるなどの特徴をもつ.炉の出力制御は制御棒の上部か

らの抜き差し及び冷却材中の中性子吸収材(ほう素)の濃度調整によって行われる.

(2) 沸騰水型軽水炉(BWR)

軽水を減速材と冷却水に兼用するのはPWRと同じであるが,容器は加圧されず,水は炉

心で発注する熱によって沸騰・蒸発し,この蒸気をタービンに送り込む方式の原子炉で

ある.BWRは,熱交換器が不要であるが,タービンへ放射能を含む蒸気が送られるので,

タービン等に遮へいを必要とする.また,燃料棒の間に水蒸気の泡が存在するので,PWR

よりも燃料棒の間隔が広くなり,炉全体がPWRよりも大きくなる.

炉の出力制御は,制御棒の下部からの抜き差しと再循環ポンプによる炉心の冷却材の流

量の調整によって行われる.

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問6 答…(3)

リン酸型燃料電池は,燃料極,空気極の2種の電極とイオン伝導体の電解質(リン酸水

溶液)から構成される.燃料極には天然ガスやメタノールを改質して得られる水素を主成

分とする燃料ガスを,空気極には空気を供給すると酸化反応が燃料極で,還元反応が空

気極で起こり,電極を外部で接続することにより外部回路に直流電流が流れ,電気エネ

ルギーとして取り出すことができる.

反応を化学式にすると次のとおりとなる.

燃料(水素)極 H2→2H++2e- 空気(酸素)極 2H++・O2+2e-→H2O

反応温度:160~210℃ 発電効率:40~45%

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問7 答…(3)

誘導発電機は,誘導電動機の回転子を水車や風車等の原動機で同期速度以上の速度で

回転させ,誘導電動機の固定子を電源に接続して励磁電流を与えてやると発電機として

動作する.このように誘導発電機は励磁電流を必要とするから誘導発電機単独では発電

できず,また,励磁電流は遅れ電流であり,電源から遅れ電流をとるため負荷や系統に

対して遅れ無効電力を供給することはできない.また,系統並列時に過渡的に大きな突

入電流が流れる.

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問8 答…(1)

交流送配電系統で用いられている調相設備には,電力用コンデンサ,分路リアクトル,

静止形無効電力補償装置,同期調相機があり,それぞれの特徴は次のようである.

(1)電力用コンデンサ(進相コンデンサ)

電力系統から進相無効電力をとるので,重負荷時(遅れ無効電力大)に電力系統に接

続して,電源の遅相無効電力を軽減させることにより電圧を改善する.

(2)分路リアクトル

深夜などの軽負荷時に線路の静電容量や需要家に設置された電力用コンデンサなどに

よる進相無効電力を軽減させることにより電圧を改善する.

(3)同期調相機

無負荷で運転する同期電動機で,界磁を弱める(励磁電流を低減する)とその電機子

電流が遅れ位相となり,界磁を強める(励磁電流を増加する)と電機子電流が進み位相

となることを利用した調相設備である.界磁調整によって,1台で系統から遅相および進

相無効電力をとることができるうえ,連続的な調整ができるが,高価なうえ,回転機で

あるので保守が面倒といった欠点がある.

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問9 答…(5)

配電用変電所の主要変圧器の二次側は一般に 6.6〔kV〕高圧母線に接続されており,

各配電線は遮断器を通してこの高圧母線に接続されている.

このため,主要変圧器の二次側を遮断させる過電流継電器(OCR)の動作時限は,各配

電線を遮断させる過電流継電器の動作時限より長く設定されねばならないので(5)の記

述が誤りである.

一般に継電器を用いて保護を行う場合,継電器の動作時限は末端部をもっとも短くし,

末端部から電源側(上位側)へ向かうにつれその動作時限を長くし,事故遮断による停

電範囲をできるだけ小さくすることが行われている.これを保護強調という.

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3

0 3 0 9 0 27 0 3 0 5 0 15

3

3 0 27 50 13 5 3

cos sin V

, :

:

. . . . . .

V

. .

AB BC

AB

RI XI

R X

I

R R

RI

電圧降下

線路の電線1条当たりの抵抗及びリアクタンス

線路電流 A

各区間の電線の抵抗は,

AB区間:   BC区間:

力率cos =1であるから,sin =0であり,リアクタンスの降下はない.

したがって, = で表される.

AB区間は, V   

BC区間は,

3 0 15 20 3 3

13 5 3 3 3 16 5 3 28 6

. V

. . .

BC

全線路の電圧降下 は, ≒ V

900m 500m

30A 20A

電源A B C

問 10 答…(3)

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問 11 答…(2)

ジャンパは図のように,耐張鉄塔で電線を引留める引留クランプ間を接続させる電線

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問 12 答…(3)

ネットワークプロテクタは,プロテクタヒューズ,

プロテクタ遮断器,ネットワークリレーなど で構成され,配電線の 1 回線が事故

などにより停止すると,ネットワーク母線側から停止回線側に電流が流れるので,これを

検出してプロテクタ遮断器が開路して,停止回線例の回路を開放する.また,停止回線が

復旧して,ネットワーク変圧器が充電されるとこれを検出して自動的にプロテクタ遮断器

を閉路する.

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問 13 答…(4)

OFケーブルは,大気圧以上の圧力をもった粘度の低い鉱油を用いてボイド(気泡)の

発生を防ぎ,絶縁耐力の強化を図ったもので,導体の許容温度が80[℃]で許容電流も大

きく,漏油した場合でも警装装置により絶縁破壊する前に発見,処置できるなど信頼性

も高いが,給油設備などが必要である.

CVケーブル (架橋ポリエチレンケーブル)の特徴は,

①軽く作業性が良く,絶縁性能性も良い.

②絶縁物比誘電率が小さく,誘電体損失や充電電流が小さい.

③導体の許容温度が最も高く(90[℃]),許容電流が大きい.

④対薬品性,耐水性が良好

⑤給油装置などの付属設備が不要である.

⑥高低差の大きいところでも使用できる.

⑦水トリー現象が見られる.

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問14 答…(3)

液体絶縁材料(絶縁油等)には比熱,熱伝導度の大きいものが適している.これらが小

さいと熱が伝わりにくく過熱による絶縁劣化が生じやすい.この他に引火点が高く,凝

固点が低いことが要求される.

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9.8kW 9.8 kW

m G 0 t G

p m

Q H+H揚水電力P =   発電電力P = Q H-H

9.8kW

m 0

p m

Q H+H揚水電力P = から,

問 15 答…(a)=(4) (b)=(2)

(a)

(b) 揚水量=使用水量をQとすると

200 50 85 0 98 0 85 0 98 0 6666 66 7

200 5. . . . . .

G 0p m t G

m 0

発電電力P H -H= = → %

揚水電力P H +H

3150 10 0 85 0 98

509 8 750 500 5

. ./

9.8 .

m p m 3m

P揚水量Q = = m s

H+H

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問16 答…(a)=(4) (b)=(4)

(a) 発電電力量W=6000×0.6×50×24=4320000[kWh]

(b)

二酸化炭素の発生量Xは,C+O2=CO2 より C=12,O=16から,

CO2=12+32=44 発生するので,12:44=0.2778:X

X=0.2778×44/12≒1.02[kg/kWh]

3

4320000 36000 2945

1200 10 44000

3600.

W発電端熱効率= = ≒ →29.5 %

燃料消費量B 発熱量H

31200 10

0 27784320000

kWh . kg/kWhB

1 の発電に必要な重油消費量= = ≒W

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問17 答…(a)=(3) (b)=(5)

(a) 変圧器1台の分担電力P1=180/3=60[kW]

(b)

1

60 0 820 6

6 3 3

/ ..

. /I 変圧器高圧側電流 ≒ A

2

22

3

2

3

3 33

3 33

180 10 1014062 14

200 0 8

cos sin

cos coscos

coscos

kW.

RI XI X

P RP VRI R R

V PV

P V PP I R

P VV

電圧降下 線路の は無視するから,

から,

線路損失

      = ≒ W ≒