今回は平成30年度 電力科目 A問題1を解説します。タービン発電機の水素冷却方式について、冷却効率が高い理由・風損が小さい理由・絶縁物への影響・爆発防止のための濃度管理・軸受のシール方法を問う空欄補充問題です。
水素の性質を2つ押さえるだけ。比熱が大きい→よく冷える、比重が小さい→風損が小さい。この2つは大小が逆向きなので、選択肢の(ア)(イ)が入れ替わっている引っかけを見抜けます。
出題のポイント
平成30年度 電力科目 A問題1：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】 平成30年度 A問題1
次の文章は、タービン発電機の水素冷却方式の特徴に関する記述である。水素ガスは、空気に比べ(ア)が大きいため冷却効率が高く、また、空気に比べ(イ)が小さいため風損が小さい。
水素ガスは、(ウ)であるため、絶縁物への劣化影響が少ない。水素ガス圧力を高めると大気圧の空気よりコロナ放電が生じ難くなる。
水素ガスと空気を混合した場合は、水素ガス濃度が一定範囲内になると爆発の危険性があるので、これを防ぐため自動的に水素ガス濃度を(エ)以上に維持している。
通常運転中は、発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れないように軸受の内側に(オ)によるシール機能を備えており、機内からの水素ガスの漏れを防いでいる。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) 比熱 比重 活性 90 % 窒素ガス (2) 比熱 比重 活性 60 % 窒素ガス (3) 比熱 比重 不活性 90 % 油膜 (4) 比重 比熱 活性 60 % 油膜 (5) 比重 比熱 不活性 90 % 窒素ガス
ポイント解説：比熱が大きい→よく冷える／比重が小さい→風損が小さい
(ア)(イ)：水素ガスは空気に比べて比熱（および熱伝導率）が大きいため、同じ体積でも多くの熱を運べる＝冷却効率が高い。一方、空気に比べて比重が小さい（空気の約1/14）ため、回転子が気体をかき回す抵抗が小さくなり風損が約1/10に減る。「大きい」のが比熱、「小さい」のが比重——2語が入れ替わった(4)(5)はここで切れる。
(ウ)：水素ガスは不活性（酸素がないので酸化しない）であるため、絶縁物への劣化影響が少ない。空気中の酸素やオゾン、じんあいが絶縁物を劣化させるのに対し、水素中ではそれが起きない。また水素ガス圧力を高めるとコロナ放電が生じ難くなる。
(エ)(オ)：水素は空気と混ざると爆発の危険がある（危険な混合比の範囲がある）ので、自動的に水素ガス濃度を90%以上に維持して、爆発範囲に入らないよう管理する。また通常運転中、水素が軸に沿って機外へ漏れないように、軸受の内側に油膜（軸密封油装置による）でシールしている。よって答えは(3)。
問題の解説
STEP1 (ア)(イ)
比熱が大きい→冷却効率が高い。比重が小さい→風損が小さい。この2語を逆にしない。
STEP2 (ウ)
水素は不活性なので絶縁物を劣化させない（活性ではない）。
STEP3 (エ)(オ)
爆発範囲に入らないよう濃度90%以上を維持。軸受内側は油膜でシール→(3)。
答え：(3)
💡 覚え方
水素冷却方式の利点：①**比熱・熱伝導率が大きい**→冷却効率が高い（出力を約25%増やせる）②**比重が小さい**（空気の約1/14）→**風損が約1/10**③**不活性**→絶縁物を劣化させない④コロナ発生電圧が高い⑤騒音が小さい。管理：空気と混合すると爆発の危険→**水素濃度90%以上**を自動維持、軸受の内側は**油膜（軸密封油装置）**でシール。「大きい＝比熱、小さい＝比重」で覚える。
⚠️ よくある間違い
(ア)比熱と(イ)比重を逆にしない——冷却効率に効くのが比熱、風損に効くのが比重。(ウ)は「不活性」（活性なら絶縁物を劣化させてしまう）。(エ)は90%以上（60%では爆発範囲に入る恐れがある）。(オ)は「油膜」——窒素ガスは運転中のシールではなく、水素の充填・排出時に空気と直接混ぜないための**置換（パージ）用**に使う。この使い分けが引っかけ。
まとめ
| (ア) | 比熱が大きい→冷却効率が高い |
| (イ) | 比重が小さい→風損が小さい（空気の約1/14） |
| (ウ) | 不活性→絶縁物への劣化影響が少ない |
| (エ) | 爆発防止のため水素ガス濃度を90%以上に維持 |
| (オ) | 軸受の内側は油膜でシール→(3) |
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