今回は令和4年度上期 電力科目 A問題2を解説します。火力発電所のタービン発電機について、発電機の種類・回転子の構造とその理由・大容量機の冷却方式を問う空欄補充問題です。
出発点は2極＝高速（3000/3600min-1）という事実。高速で回すと遠心力が大問題になるので、回転子は円筒形で直径を小さくし、軸方向に長い形にします。そして大容量機の冷却には水素が使われます。
出題のポイント
令和4年度上期 電力科目 A問題2：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
電験3種 電力科目 【火力】 令和4年度上期 A問題2
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。火力発電所のタービン発電機は、2極の回転界磁形三相(ア)発電機が広く用いられている。(イ)強度の関係から、回転子の構造は(ウ)で直径が(エ)。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(オ)冷却方式が使われている。上記の記述中の空白箇所(ア)〜(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ) (1) 同期 熱的 突極形 小さい 窒素 (2) 誘導 熱的 円筒形 大きい 水素 (3) 同期 機械的 円筒形 小さい 水素 (4) 誘導 機械的 突極形 大きい 窒素 (5) 同期 機械的 突極形 小さい 窒素
ポイント解説：2極＝高速→遠心力（機械的強度）→円筒形で直径小、大容量は水素冷却
(ア)：発電所で使われるのは同期発電機。回転子に界磁を置いて外から直流で励磁する回転界磁形で、商用周波数と同期した速度で回る。誘導発電機は風力などで使われるが、火力発電所の主力機ではない。
(イ)(ウ)(エ)：タービン発電機は2極なので、N＝120f/p より 50Hzで3000min-1、60Hzで3600min-1という高速で回る。回転子には大きな遠心力がかかるため、機械的強度の関係から、直径を大きくできない。そこで回転子は円筒形とし、直径を小さくして軸方向に長い形にする（水車発電機は低速なので逆に突極形で直径が大きく軸方向に短い）。
(オ)：大容量タービン発電機では密封形水素冷却方式が使われる。水素は空気より密度が小さいので風損が約1/10になり、熱伝導率・比熱が大きいので冷却効果が高く、しかもコロナ発生電圧が高く絶縁物を劣化させないという利点をもつ。ただし空気と混合すると爆発の危険があるため、外部へ漏れないよう密封形にして純度を高く保つ。よって答えは(3)。
問題の解説
STEP1 (ア)
発電所の発電機は同期発電機（回転界磁形）。
STEP2 (イ)(ウ)(エ)
2極＝高速（3000/3600min⁻¹）→遠心力が大きい→機械的強度の関係から円筒形で直径を小さくする。
STEP3 (オ)
大容量機の冷却は密封形水素冷却方式（風損が小さく冷却効果が高い）→(3)。
答え：(3)
💡 覚え方
タービン発電機：2極（高速3000/3600min⁻¹）・**円筒形**回転子・直径が小さく軸方向に長い・横軸形・銅機械。水車発電機：低速・多極・**突極形**・直径が大きく軸方向に短い・立軸形・鉄機械。水素冷却の利点：①空気より密度が小さく**風損が約1/10**②熱伝導率・比熱が大きく**冷却効果が高い**（出力を約25%増やせる）③**コロナ発生電圧が高く絶縁物を劣化させない**④騒音が小さい。欠点：空気と混合すると爆発の危険→**密封形**にして純度管理と軸密封油装置が必要。
⚠️ よくある間違い
(イ)は「機械的」強度——高速回転の遠心力の話であって熱の話ではない。円筒形と突極形を逆にしない（タービン＝円筒形、水車＝突極形）。直径は「小さい」（遠心力を抑えるため）。冷却は「水素」であって窒素ではない——窒素は不活性だが冷却性能が低い。水素は爆発の危険があるからこそ「密封形」なのであって、密封するのは漏れを防ぐため。
まとめ
| (ア) | 回転界磁形三相 同期 発電機 |
| (イ) | 2極＝高速→遠心力→機械的強度の関係 |
| (ウ) | 回転子の構造は円筒形 |
| (エ) | 直径は小さい（軸方向に長い） |
| (オ) | 大容量機は密封形 水素 冷却方式→(3) |
▼あわせて解きたい関連問題
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