《電力》〈水力〉[H30:問1] フランシス形水車の負荷遮断に関する空欄穴埋問題

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，フランシス形水車の負荷遮断に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

ある出力で運転中の水車発電機を系統から解列することを負荷遮断というが，解列すると$ \ \fbox {　（１）　} \ $の応答により$ \ \fbox {　（２）　} \ $が急閉し，水撃作用によって水圧が上昇するとともに過渡的に水車入出力のバランスが崩れて回転速度が上昇する。

特に，揚水発電所で用いられるフランシス形ポンプ水車の場合は，流量－回転速度特性により，単に水圧上昇が大きくなるだけでなく，$ \ \fbox {　（２）　} \ $閉鎖方法によっては，ポンプ水車は$ \ \fbox {　（３）　} \ $に大きく入り，流量が急激に変化して水圧管水圧が異常に上昇する可能性がある。また，サージタンクのない長大放水路をもつポンプ水車では，ランナ出口下端において圧力が異常に低下して，$ \ \fbox {　（４）　} \ $が発生する可能性もある。この現象を避けるため，$ \ \fbox {　（２）　} \ $閉鎖速度を途中から$ \ \fbox {　（５）　} \ $して$ \ 2 \ $段あるいは$ \ 3 \ $段操作を行っている。

〔問1の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　遅く　　　　　&（ロ）&　速く　　　　　&（ハ）&　ポンプトリップ \\[ 5pt ] &（ニ）&　正転水車域　　　　　&（ホ）&　ステーベーン　　　　　&（ヘ）&　\mathrm {AVR} \\[ 5pt ] &（ト）&　デフレクタ　　　　　&（チ）&　調速機　　　　　&（リ）&　ランナベーン \\[ 5pt ] &（ヌ）&　水柱分離　　　　　&（ル）&　正転ポンプ域　　　　　&（ヲ）&　自励振動 \\[ 5pt ] &（ワ）&　逆転ポンプ域　　　　　&（カ）&　ガイドベーン　　　　　&（ヨ）&　制圧機 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

フランシス水車は水力発電所でも最も多く導入されている水車で，電験でも非常に出題されやすい内容となっています。構造を理解した上で，負荷遮断後の挙動がどうなるかを理解するようにしましょう。

1.フランシス水車
反動水車に分類される水車で，約$ \ 500 \ \mathrm {m} \ $まで高落差で大容量の水力発電所で適用されます。定格出力での効率が高いですが，部分負荷運転時は効率が低下しやすい特徴があります。
ケーシングから流入した水が，ランナで向きを変え，下方向に水が行き，ランナは水の圧力の反動で回転します。ガイドベーンはランナへ流れる水量を調整します。

出典：中部電力株式会社　ＨＰ
https://www.chuden.co.jp/energy/renew/ren_shikumi/wat_shikumi/suisha/

【解答】

(1)解答：チ
題意より，解答候補は（ヘ）$ \ \mathrm {AVR} \ $，（ト）デフレクタ，（チ）調速機，（ヨ）制圧機，になると思います。系統から解列し負荷の急減に反応するのは調速機で，調速機により，水量の減少指令がガイドベーンに出されます。$ \ \mathrm {AVR} \ $は自動電圧調整装置なので関係ありません。デフレクタは衝動水車であるペルトン水車に設けられ，負荷異常低下時に噴射水を当てて向きを変え，バケットに直接当たらないようにするものです。制圧機は負荷の急変が発生した時に，水車のケーシングから排水して水圧の異常上昇を抑える働きを持つものなので，本文の内容と合いません。

(2)解答：カ
題意より，解答候補は（ホ）ステーベーン，（リ）ランナベーン，（カ）ガイドベーン，になると思います。ワンポイント解説「1.フランシス水車」の通り，水量を調整するのはガイドベーンで，ランナの入口に設けられています。ステーベーンはケーシングに固定されている水量を均一にするためのベーンで，ランナは実際に回転する羽根車のことを言います。

(3)解答：ワ
題意より，解答候補は（ニ）正転水車域，（ル）正転ポンプ域，（ワ）逆転ポンプ域，になると思います。現象として発生するのは（ニ）正転水車域と（ワ）逆転ポンプ域ですが，正転水車域の場合は水圧が逃がされる方向に水が流れるので大きな問題は発生しにくいですが，逆転ポンプ域の状態になると水圧管の水圧が異常に上昇します。

(4)解答：ヌ
題意より，解答候補は（ハ）ポンプトリップ，（ヌ）水柱分離，（ヲ）自励振動，になると思います。文中の内容に合っているのは水柱分離で，何らかの形で水菅の両側から斥力（引張力）が働き，水柱（水）が分離し，圧力が急激に低下する現象が発生します。

(5)解答：イ
題意より，解答候補は（イ）遅く，（ロ）速く，になると思います。水柱分離が発生するのはガイドベーンを急閉した時なので，閉鎖速度を遅くした方が発生が少なくなります。