今回は平成23年度 電力科目 A問題1を解説します。水路式水力発電所の有効電力出力が突然低下し、出力低下後に安定した状態の各観測値から、原因が発生した箇所を推定する問題です。
計算ではなく状態からの原因切り分けを問う良問です。カギは上部水槽の水位が上昇したこと。入ってくる水は変わらないのに水が減らずに溜まったのだから、詰まっているのは上部水槽より下流です。
出題のポイント
平成23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 【水力】 平成23年度 A問題1
図のような水路式水力発電所において、有効電力出力が定格状態から突然低下した。出力低下の原因箇所を見定めるために、出力低下後に安定した当該発電所の状態を確認すると、出力低下前と比較して、以下のような状態となっていた。
・水車上流側の上部水槽で水位が上昇した。
・水車流量が低下した。
・水車発電機の回転数は定格回転数である。
・発電機無効電力は零(0)のまま変化していない。
・発電機電圧はほとんど変化していない。
・励磁電圧が低下した。
・保護リレーは動作していない。出力低下の原因が発生した箇所の想定として、次の(1)〜(5)のうちから最も適切なものを一つ選べ。
水位観測地点(上部水槽)より上流側水路
水車を含む水位観測地点(上部水槽)より下流側水路
電圧調整装置
励磁装置
発電機
ポイント解説：上部水槽の水位上昇＝下流側で水が流れなくなった証拠
水の流れから見る：上部水槽には取水口から導水路を通って水が入り、水圧管を通って水車へ出ていく。その上部水槽で水位が上昇したということは、入る量は変わらないのに出る量が減ったことを意味する。実際「水車流量が低下した」とあるから、上部水槽より下流側（水圧管・水車）で水の流れが妨げられていると判断できる。もし上流側水路（導水路）が原因なら、流入量が減るので上部水槽の水位は逆に低下するはずで、(1)は否定される。
電気側から見る：発電機の回転数は定格、電圧もほとんど変化なし、無効電力も零のまま、保護リレーも不動作——つまり電気設備は正常に働いている。励磁電圧の低下は原因ではなく結果で、有効電力（＝負荷角）が下がったぶん、無効電力を零・電圧を一定に保つようAVRが励磁を絞った正常な動作である。よって(3)電圧調整装置・(4)励磁装置・(5)発電機はいずれも否定され、答えは(2)。
問題の解説
STEP1 上部水槽の水位上昇
入る水は変わらず出る水が減った＝下流側で流れが妨げられている。上流側が原因なら水位は低下するので(1)は否定。
STEP2 電気側は正常
回転数は定格、電圧ほぼ不変、無効電力零のまま、保護リレー不動作＝発電機・励磁装置・電圧調整装置に異常なし。
STEP3 励磁電圧の低下は結果
有効電力の低下に対し無効電力零・電圧一定を保つようAVRが励磁を絞っただけ→原因は(2)水車を含む上部水槽より下流側水路。
答え：(2)
💡 覚え方
出力低下の原因切り分け：上部水槽の水位が【上昇】→下流側（水圧管・水車）の閉塞。水位が【低下】→上流側（取水口・導水路）の流入減。電気側は「回転数定格・電圧不変・無効電力不変・保護リレー不動作」なら正常で、励磁電圧の変化は有効電力変化に追従したAVRの結果にすぎない。
⚠️ よくある間違い
上部水槽の水位「上昇」を上流側の異常と取り違えないこと（上流が詰まれば水位は下がる）。励磁電圧の低下は原因ではなく結果——原因と結果を逆に読むと(4)を選んでしまう。発電機・電圧調整装置の異常なら電圧や無効電力に変化が現れるはず。
まとめ
| 上部水槽の水位上昇 | 入る量＞出る量→下流側で流れが妨げられた |
| 水車流量の低下 | 下流側閉塞の裏付け（上流原因なら水位は低下） |
| 回転数・電圧・無効電力 | いずれも正常→電気設備に異常なし |
| 励磁電圧の低下 | 有効電力低下に伴うAVRの結果（原因ではない） |
| 答え | (2)水車を含む上部水槽より下流側水路 |
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