電験一種 R8年 電力 問1
次の文章は，揚水発電所に関する記述である。文中のに当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。
揚水発電所は，従来，深夜の余剰電力で揚水して水を蓄え，昼間等の電力需要のピーク時に，蓄えた水を用いて発電することが基本的な運用であったが，近年は太陽光発電の導入量増加によって昼間に揚水するケースも増えてきた。
ポンプ水車が用いられる揚水発電所において，発電方向の始動は通常の水車と同じ取り扱いになるが，揚水方向の始動はポンプ運転時のランナの (1) を低減する目的で水面押し下げ制御が行われる。この間，入口弁，案内羽根は全閉し，ランナシール部には (2) を供給しつつ，発電電動機を始動し，系統に並列する。系統並列後，水面押し下げに使用した空気を排除して，ランナ・ケーシング内を充水し，揚水を開始する。
発電電動機の始動方法として，一般的に用いられているサイリスタ始動方式は，直流励磁を (3) に発電電動機の回転子に与え，サイリスタ変換装置の可変周波数交流出力を低周波から定格周波数まで連続的に固定子へ供給して，加速する方式である。
また，1990年以降開発された可変速揚水システムでは，可変速励磁用変換器を用いた揚水自己始動によるコスト低減の検討もなされているが，最大の特徴は，揚水運転時の (4) の調整であり，ポンプの回転速度の (5) に比例して (4) を変化させることができる。このため，再生可能エネルギーの普及に伴って，周波数調整面からその役割が増加している。
解答群
| (ｲ)(2) |
冷却水 |
(ﾛ) |
始動開始直後 |
(ﾊ) |
発電電力 |
| (ﾆ) |
制動トルク |
(ﾎ) |
漏水補水 |
(ﾍ)(5) |
\(3\) 乗 |
| (ﾄ) |
最低電力 |
(ﾁ) |
潤滑油 |
(ﾘ) |
加速中 |
| (ﾇ)(3) |
始動開始前 |
(ﾙ) |
\(2\) 乗 |
(ｦ)(1) |
反抗トルク |
| (ﾜ) |
最大トルク |
(ｶ)(4) |
入力電力 |
(ﾖ) |
\(\displaystyle \frac{5}{4}\) 乗 |
出典：令和8年度 第一種電気主任技術者 一次試験 電力科目 問1
解説
揚水発電の問題としては通常の難易度くらいかと思います。類題:令和4年度 第一種電気主任技術者 一次試験 電力科目 問1
水面押し下げ制御により低減するトルク
正解 (ヲ)
ポンプ水車を揚水方向に始動する際、ランナがすでに水で満たされた状態で回転を始めると、水の抵抗による反抗トルクが非常に大きくなり、大きな始動トルクが必要となってしまいます。これを避けるため、水面押し下げ制御が行われます。
答えは(ヲ)の反抗トルクです。
水面押し下げ中にランナシール部へ供給するもの
正解 (イ)
水面押し下げ運転中は、ランナが空気中で高速回転するため、回転部と静止部のシール部で摩擦熱が発生します。この摩擦熱による焼損・損傷を防ぐため、ランナシール部に冷却水を供給します。
答えは(イ)の冷却水です。
サイリスタ始動方式における直流励磁を与えるタイミング
正解 (ヌ)
サイリスタ始動方式は次のような手順で発電電動機を無拘束状態から徐々に加速する方式です。
答えは(ヌ)の始動開始前です。
可変速揚水システムで調整可能となる揚水運転時の値
正解 (カ)
可変速揚水システムでは、可変速励磁用変換器(サイリスタ・IGBT等によるAC励磁装置)を用いて回転子の励磁周波数を制御することで、ポンプの回転速度を連続的に変化させることができます。
回転速度を調整することによって、入力電力を変化させることができます。
答えは(カ)の入力電力です。
回転速度と入力電力の比例関係
正解 (ヘ)
ポンプの回転速度の3乗に比例して入力電力は変化します。
ポンプの所要動力\(P\left[\mathrm{W} \right]\)は効率を無視すると以下で表されます。
$$\begin{aligned}
P &= \rho g Q H \\
\end{aligned}$$
\(\rho\) は流体密度 \(\left[ \mathrm{\dfrac{kg}{m^3}} \right]\)、\(g\) は重力加速度 \(\left[ \mathrm{\dfrac{m}{s^2}} \right]\)、\(Q\) は流量 \(\left[ \mathrm{\dfrac{m^3}{s}} \right]\)、\(H\) は揚程 \([ \mathrm{m} ]\) です。
ここで、流量\(Q\)はポンプの回転速度\(N\)に比例し、揚程\(H\)はポンプの回転速度\(N\)の2乗に比例しますので、全体としては
$$\begin{aligned}
P &\propto N^3 \\
\end{aligned}$$
となります。
答えは(ヘ)の\(3\) 乗です。
(1)
ヲ
反抗トルク
(2)
イ
冷却水
(3)
ヌ
始動開始前
(4)
カ
入力電力
(5)
ヘ
\(3\) 乗