《機械》〈電熱〉[H25:問4]製鋼用アーク炉をはじめとするアーク加熱の構造や特徴に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

次の文章は，アーク加熱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びなさい。

製鋼用アーク炉はアーク加熱の代表的な例であり，商用周波数の三相交流をそのまま用いる交流アーク炉と直流に整流して用いる直流アーク炉とがある。両者共に電圧は数百ボルト程度，電流は数千アンペアから数万アンペア以上のアークを\( \ \fbox {　 （１） 　} \ \)と被加熱物である鉄くずや還元鉄との間に発生させて加熱・溶解する。大容量の電気負荷であるため，その負荷変動や波形ひずみが\( \ \fbox {　 （２） 　} \ \)や高調波等の電源障害の発生源となるので，対策が必要な場合がある。

交流アーク炉では，炉用変圧器二次側の電極までの三相回路の\( \ \fbox {　 （３） 　} \ \)が不平衡であるとアーク電圧に高低を生じ，局地的に高温となって炉壁を損傷するため，各相導体の三角配列などによってアーク電圧の不平衡を解消する必要がある。一方，直流アーク炉では，直流母線に流れる電流が作る磁場によってアーク\( \ \fbox {　 （４） 　} \ \)が発生することで，被溶解物の不均一溶解や炉内にホットスポットを生成する原因となり，母線の配置には工夫が必要となる。

両者を電源系統に与える影響で比較すると，アーク発生から消滅までの入力の有効－無効電力特性などから\( \ \fbox {　 （５） 　} \ \)の方が影響が少なく，同一定格容量の場合，弱小電源系統への接続が比較的容易である。

〔問4の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　フラッシオーバ　　　　　　&（ロ）&　キャパシタンス　　　　　　&（ハ）&　黒鉛電極 \\[ 5pt ] &（ニ）&　レジスタンス　　　　　&（ホ）&　リアクタンス　　　　　&（ヘ）&　ハンチング \\[ 5pt ] &（ト）&　固定電極　　　　　&（チ）&　偏　磁　　　　　&（リ）&　炉底電極 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　フリッカ　　　　　&（ル）&　偏　流　　　　　&（ヲ）&　直流アーク炉 \\[ 5pt ] &（ワ）&　交流アーク炉　　　　　&（カ）&　偏　向　　　　　&（ヨ）&　リンギング \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

アーク炉は鉄くずを再利用する際に高温状態にして鉄くず（スクラップ）を溶解し，不純物を除去する装置です。電気屋としては，スクラップの溶け落ちのタイミングやアーク長の変動で生じる電圧フリッカにより，電灯等でちらつきが生じるという内容が重要となります。

【解答】

(1)解答：ハ
題意より，解答候補は（ハ）黒鉛電極，（ト）固定電極，（リ）炉底電極，になると思います。アーク炉で使用するのは黒鉛電極です。

(2)解答：ヌ
題意より，解答候補は（イ）フラッシオーバ，（ヘ）ハンチング，（ヌ）フリッカ，（ヨ）リンギング，になると思います。アーク炉で問題となるのは電圧フリッカです。この空欄だけは間違えたくない問題です。

(3)解答：ホ
題意より，解答候補は（ロ）キャパシタンス，（ニ）レジスタンス，（ホ）リアクタンス，になると思います。アーク電圧の不均衡は三相回路のリアクタンスが不均衡であると発生します。他の問題でも応用が利くので，電圧は無効電力に大きく影響を受けることを知っておきましょう。

(4)解答：カ
題意より，解答候補は（チ）偏磁，（ル）偏流，（カ）偏向，になると思います。アーク炉内では磁界により，アークの偏向が発生します。

(5)解答：ヲ
題意より，解答候補は（ヲ）直流アーク炉，（ワ）交流アーク炉，になると思います。結論としては直流アーク炉の方が影響が少ないのですが，問題文の有効－無効電力特性という言葉より，無効電力の調整が必要な交流の方が影響が大きいことは想像がつきやすいと思います。